基于熱氣固耦合的渦輪葉片仿真分析

胡淑杰

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

0 前言

燃?xì)鉁u輪機(jī)是一種常見的發(fā)動機(jī)，常應(yīng)用于航天、船舶動力等工業(yè)領(lǐng)域。渦輪葉片作為燃?xì)鉁u輪機(jī)關(guān)鍵受熱零件之一，在服役過程中處于高溫、高壓、高燃?xì)獾沫h(huán)境，極易發(fā)生疲勞斷裂、榫齒斷裂、腐蝕、蠕變失效等，嚴(yán)重威脅了發(fā)動機(jī)工作的安全性[1]。在現(xiàn)實(shí)研究中，考慮到難以采集到渦輪葉片在工作過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，無法為后續(xù)的分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此利用仿真軟件對渦輪葉片進(jìn)行熱氣固耦合分析模擬非常重要，為以后渦輪葉片疲勞壽命預(yù)測、蠕變壽命預(yù)測提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

趙爽在渦輪葉片三維模型中建立了冷卻通道，進(jìn)行了內(nèi)外流場仿真分析，進(jìn)行渦輪葉片的壽命預(yù)測[2]。于天歌對復(fù)雜環(huán)境下的單獨(dú)載荷分別進(jìn)行分析，確定復(fù)雜環(huán)境下渦輪葉片失效影響因素的大小[3]。彭博考慮了渦輪葉片的工作環(huán)境載荷，針對渦輪葉片的三維模型及二維葉型，在流固耦合分析的基礎(chǔ)上對渦輪葉片的葉型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。姜玫竹等在熱彈性有限元分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行了拉伸應(yīng)力和榫齒名義應(yīng)力的計(jì)算，來判斷葉片是否滿足可靠性設(shè)計(jì)要求[5]。

1 渦輪葉片及流場模型建立

根據(jù)渦輪葉片的實(shí)體模型，在Geomagic Wrap軟件中對渦輪葉片進(jìn)行逆向建模，主要包括點(diǎn)云處理和實(shí)體重建兩個(gè)步驟。其逆向建模后的三維圖如圖1所示。

圖1 渦輪葉片三維模型

渦輪葉片由葉身、緣板和榫頭組成，其中葉身的作用是改變?nèi)細(xì)獾姆较颍壈宓淖饔檬欠乐箿u輪葉片的高溫燃?xì)膺M(jìn)入渦輪盤，榫頭的作用是連接渦輪盤與渦輪葉片。根據(jù)渦輪葉片自身的曲面特征，在SOLIDWORKS中建立流場三維模型，并且定義流場進(jìn)出口及邊界類型。

渦輪葉片表面為復(fù)雜的三維曲面，葉片的扭曲變形較大，綜合考慮網(wǎng)格劃分的效率和仿真精度，采用ANSYS ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 渦輪葉片流場網(wǎng)格劃分

2 有限元分析

2.1 流場分析

在流體邊界條件設(shè)置中，假設(shè)氣體分子體積及分子間作用力忽略不計(jì)，并且在流場中氣體壓力和流速均保持穩(wěn)定[6]。湍流模型選擇SST k-ω模型，設(shè)定入口壓力為1.6 MPa，入口溫度為1 300 K，出口壓力為0.8 MPa，壁面采用光滑無滑移類型，渦輪葉片轉(zhuǎn)速為14 000 rpm，迭代次數(shù)為600步。

對流固耦合面溫度分布進(jìn)行分析，如圖3所示，渦輪葉片呈現(xiàn)整體溫度較高且溫差較大的特點(diǎn)，流場進(jìn)氣端溫度明顯高于出氣端，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在葉片進(jìn)氣端一側(cè)，達(dá)到了974 ℃。由于葉片特殊幾何造型，導(dǎo)致葉片葉盆處于高溫狀態(tài)且溫度變化不明顯，葉片葉背的溫度從進(jìn)氣端至出氣端逐漸降低。

圖3 流固耦合面葉片溫度分布

對流固耦合面壓力分布進(jìn)行分析，如圖4所示，氣動力引起的壓力載荷較小，最大值約為1.6 MPa。流場進(jìn)氣端氣動力明顯高于出氣端，氣動力最高點(diǎn)出現(xiàn)在葉片進(jìn)氣端葉背一側(cè)，并且進(jìn)氣端的氣動力隨著葉身增高而不斷降低。

圖4 熱氣固耦合面葉片壓力分布

2.2 熱氣固耦合分析

根據(jù)流場模擬分析出了渦輪葉片流固耦合面的溫度、壓力分布情況，在此基礎(chǔ)上通過ANSYS中的Workbench模塊來進(jìn)行渦輪葉片在各個(gè)工況下的熱氣固耦合平臺搭建，如圖5所示。可以得到渦輪葉片在復(fù)雜工況下的應(yīng)力、應(yīng)變云圖。

圖5 熱氣固耦合平臺搭建

渦輪葉片周圍被高溫燃?xì)饬靼鼑叶甙l(fā)生能量交換[7]。由于渦輪葉片厚度不一致，在工作狀態(tài)變換時(shí)急劇變化的高溫燃?xì)猓瑫谷~片產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而在葉片表面產(chǎn)生較大的溫度載荷。將前文通過Fluent得到的溫度載荷、氣動力以面載荷的形式加載到渦輪葉片表面[8]，再通過對渦輪葉片施加離心力，獲得渦輪葉片在復(fù)雜載荷下的應(yīng)力應(yīng)變情況。如圖6所示。

圖6 離心力計(jì)算結(jié)果

2.3 邊界條件約束

渦輪葉片的葉根為樅樹型，榫頭與渦輪盤榫槽相接觸，限制了渦輪葉片的周向、徑向位移。榫頭與渦輪盤榫槽的接觸造成了位移邊界條件為非線性，因此邊界定義較為困難[9]。本文由于榫頭與渦輪盤相連接，看作榫頭受到一個(gè)全約束，葉片的邊界條件如圖7所示。

圖7 渦輪葉片邊界約束條件

2.4 仿真結(jié)果分析

對渦輪葉片進(jìn)行熱氣固耦合仿真分析，渦輪葉片在溫度載荷、氣動力載荷、離心載荷共同作用下的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變云圖如圖8、圖9所示。

圖8 熱氣固耦合作用下葉片應(yīng)力分布云圖

圖9 熱氣固耦合作用下葉片應(yīng)變分布云圖

由葉片應(yīng)力分布云圖可知，渦輪葉片應(yīng)力的最大值達(dá)到了718.46 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉背一側(cè)的葉根部位，這是因?yàn)槿~根部位承擔(dān)著連接葉身與緣板任務(wù)，是主要的受力點(diǎn)。總體來說，葉片葉背一側(cè)等效應(yīng)力大于葉盆一側(cè)，等效應(yīng)力隨著葉高增加而呈現(xiàn)減小趨勢。

由葉片等效應(yīng)變云圖可知，渦輪葉片的應(yīng)變分布情況與應(yīng)力分布情況大致相同。等效應(yīng)力最大出現(xiàn)在與等效應(yīng)變最大相似的位置，這是由于在三種載荷的共同作用下離心力載荷起到了主導(dǎo)作用。

2.5 危險(xiǎn)位置確定

渦輪葉片在復(fù)雜載荷工況下工作，上文模擬了渦輪葉片在熱氣固耦合的等效應(yīng)力、應(yīng)變的結(jié)果。在實(shí)際的工程中，為了研究渦輪葉片的疲勞失效情況，通常選用受力最大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地方[10]。由圖8可知，渦輪葉片受載荷最大處在葉片的葉根部位，則應(yīng)力出現(xiàn)最大點(diǎn)為危險(xiǎn)點(diǎn)A，蠕變的產(chǎn)生與溫度密切相關(guān)，則選用溫度最高點(diǎn)為危險(xiǎn)點(diǎn)B。

3 結(jié)語

本文利用ANSYS軟件，對渦輪葉片進(jìn)行了流場分析、熱氣固耦合分析，得到了渦輪葉片在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，能夠反映渦輪葉片在服役過程中真實(shí)的受力情況。選取了危險(xiǎn)點(diǎn)A、B，為后續(xù)進(jìn)行疲勞、蠕變壽命預(yù)測提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。