基于多场耦合的涡轮叶片静强度计算分析.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:工信部专项科研项目()作者简介:徐健()男硕士高级工程师:.通信作者:孙鹏()男硕士工程师:.:./.基于多场耦合的涡轮叶片静强度计算分析徐 健霍施宇孙 鹏(中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室 西安)摘要:涡轮叶片是航空发动机最昂贵和最关键的部件之一它们在高交变负荷、极端温度、侵蚀和腐蚀的恶劣工作条件下运行 为了保障涡轮的正常运行以及防止事故的发生在涡轮叶片静强度设计过程中需要考虑热流固多场耦合作用建立了涡轮叶片的多场耦合计算流程综合考虑热负荷、离心负荷和气动负荷对涡轮叶片静强度设计的影响通过对涡
2、轮叶片进行静强度分析得到了叶片在热负荷、离心负荷和气动负荷综合作用下的应力分布确定了涡轮叶片强度危险点的位置和最大等效应力可以为涡轮叶片的寿命预测提供依据关键词:航空发动机涡轮叶片热流固多场耦合静强度计算有限元分析本文引用格式:徐健霍施宇孙鹏.基于多场耦合的涡轮叶片静强度计算分析.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言航空发动机涡轮冷却叶片在高温高压的燃气环境中以高转速工作服役过程中受到离心力、气动力等载荷作用叶片的关键区域(榫齿与伸根部位)在载荷作用下产生了高应力导致叶片易在关键区域发生破坏 航空发动机涡轮叶片设计首先要满足其静强度条件保障
3、叶片的正常工作 陈立杰等考虑离心负荷与气流力对低压涡轮叶片进行了静强度分析其中气流力沿叶高呈线性分布简化 王婧超等对全三维涡轮叶片进行参数化建模采用多岛遗传算法及二次序列规划法优化涡轮叶片性能 李立州等基于耦合量曲面拟合的协作优化方法对巡航状态涡轮转子叶片进行分析比较了结构和气动子系统中流固耦合面上的温度、压力和变形 等采用 软件中的有限元法和基于杆理论的经典方法对涡轮叶片静强度进行了分析其中作用在涡轮叶片上的压力场通过 程序计算获得 郁大照等采用热应力耦合对两级涡轮叶片开展静强度分析考虑了叶片榫头与盘外缘榫槽接触的影响 王荣桥等提出了涡轮叶片的多学科优化设计策略采用流固热松散耦合分析方法从保
4、证结构静强度设计和提高气动等熵效率 个方面对涡轮带冠叶片进行优化优化设计目标(叶片总质量和效率)得到明显改善 于复磊等采用单向流热固耦合的计算方法获得了在设计工况下离心、气动、热载荷对叶片应力、变形的影响并按照斯贝发动机 应力标准对叶片强度进行了校核 彭茂林等通过热流固耦合分析对涡轮叶片开展三维气动设计优化和结构可靠度改进 等通过金相分析、有限元分析和断裂力学分析并结合试验数据计算得出涡轮叶片根部的腐蚀受到离心载荷的影响导致根部裂纹扩展 沈伟等采用单向流固耦合计算对涡轮叶盘和叶片的强度分别进行校核 段红燕等采用热力耦合计算得到了涡轮叶片在离心、温度及气动 种载荷联合作用下的应力、应变分布规律
5、褚召丰等采用流热固单向耦合方法带冠涡轮叶片进行了结构静力分析和应力模态分析 王文瑞等考虑气动力、热应力以及离心力的情况下对涡轮叶片动态环境下的应力分布进行分析 张筠松等采用流固耦合计算方法研究了涡轮动叶叶顶凹槽喷气冷却的流动与传热特性 梅志恒等通过气热固多场耦合仿真计算研究了涡轮叶片典型工况下的应力、应变及形变 杨杰等研究了热载荷和离心载荷耦合工况下涡轮叶片的静强度综上所述现有研究大多在对叶片进行流热固耦合分析过程中流场计算采用理想气体叶片表面温度分布采用绝热壁面下的流场计算结果未考虑对流换热和叶片冷却的作用 然而对于涡轮叶片不同的气动载荷和热载荷分布规律对叶片变形的影响不尽相同 基于此本文在
6、考虑工质变比热和叶片在发动机工作过程中表面实际温度场分布规律的情况下采用单向流热固耦合方法建立了单级低压涡轮叶片数值模型对涡轮叶片进行了强度分析为开展叶片试验提供强度方法 基于热流固耦合分析的涡轮叶片静强度分析方法 基于 平台首先进行单级涡轮的气动定常数值模拟然后气动载荷和稳态热载荷分别从气动定常计算模块()和稳态热计算模块()传递到叶片表面静强度计算模块()用于求解叶片的变形、等效应力等具体计算流程如图 所示图 基于热流固单向耦合的涡轮叶片静强度计算流程.通过流热固耦合分析能够了解涡轮叶片结构强度的薄弱危险点从而得到涡轮叶片的关键考核部位有利于对叶片几何构型进行早期的设计改进 基于热流固耦合
7、方法的涡轮叶片静强度分析流程如图 所示图 基于热流固耦合方法的涡轮叶片静强度分析流程.涡轮叶片强度计算分析的基本流程如下:建立涡轮叶片的几何模型作为强度计算分析的对象建立叶片温度场徐 健等:基于多场耦合的涡轮叶片静强度计算分析分布模型研究特定工况下叶片温度场的分布建立叶片强度分析有限元模型由叶片服役工作状态设定其气动载荷、边界条件并将叶片温度场计算结果作预定义场赋给有限元模型分析叶片整体应力应变状态确定叶片上的危险点对几何结构复杂的危险点采用子模型技术细化网格求其精确解基于强度计算准则(安全系数)分析叶片整体的强度 流场仿真分析.流场计算模型本研究主要对单级涡轮的通流部分即一级叶栅流道进行气动
8、分析 单级涡轮动静叶栅模型包括一排静叶栅和一排动叶栅 其中静叶栅包括 个静叶片动叶栅包括 个动叶片为了减少计算量采用叶片约化法建立了 个静叶和 个静叶组成的/个圆周的扇形叶栅模型边界处设置周期边界条件 这样既不改变动静叶片的相对位置又能大大减少计算量计算区域如图 所示图 气动分析计算域.网格划分为了减少计算域的边界效应对计算结果的影响在静叶入口和动叶出口均需要流出一定长度的进出口段 划分网格时只需要划分一个叶片通道的网格其他叶片网格在计算中进行圆周阵列 在近壁面处由于流动过程中边界层的存在垂直壁面方向上流动参数变化剧烈因此对于壁面处的网格要进行加密以减少边界层计算的误差 近壁面处采用 型网格方
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