某型發動機渦輪葉片的蠕變壽命分析

柯銘亮，楊偉鋒，丁玉亭，薛倫生

（1.空軍工程大學 導彈學院，陜西 三原713800；2.解放軍93704部隊裝備處，北京 通州101149）

航空發動機渦輪葉片構件，長期在高溫和循環載荷共同作用下工作，疲勞-蠕變交互作用導致的斷裂，是此類熱鍛構件失效的主要原因[1]。而對于航空發動機，渦輪轉子及葉片作為燃氣輪機關鍵零部件，在工作中承受著很大的熱負荷、離心力、氣流力。由于其工作條件惡劣，使得渦輪盤葉片成為故障多發的零部件，其壽命直接決定了燃氣輪機的使用壽命，渦輪葉片在高溫燃氣和循環載荷下的工作可靠性，將直接影響飛行安全性以及發動機的使用壽命[2～5]。

因此，對于渦輪葉片蠕變壽命的研究，將對提高渦輪葉片設計以及航空發動機整體可靠性提升，都有十分顯著的作用。

1 研究方法

通過采用比較研究法以及數值模擬的研究方法，對渦輪葉片進行模擬計算，利用已選擇的蠕變壽命預測方法，對所給的葉片模型進行計算模擬；首先對所給的模型進行合理的簡化，根據葉片的結構特點和載荷分布劃分網格，再導入ANSYS進行模擬計算。對葉片進行熱分析以及應力分析。

（1）熱分析。選取最高溫度作為主要計算狀態。由渦輪葉片的熱源和結構，在有限元模型中構成熱邊界條件進行模擬計算。

（2）應力分析。由資料中可以得到葉片的載荷，并結合飛行狀態計算，可知各個狀態下的溫度場和應力載荷，進而進行有限元分析。計劃選取溫度最高部位、葉根葉背葉尖、葉身應力最大點進行考核計算。主要使用的軟件包括：UG（建立實體模型）、Hypermesh（對模型進行網格劃分）以及ANSYS（進行仿真模擬計算）。

有限元分析過程流程如圖1所示。

圖1 有限元分析流程

2 渦輪葉片的有限元分析

2.1 有限元模型

首先利用UG軟件建立某型航空發動機渦輪葉片部件的幾何模型。根據分析問題的需要，對葉片模型采用一定的簡化措施。研究過程中，重點考察葉身部分負載情況，對榫頭和輪盤榫槽間的摩擦力不做關注，對榫槽部位做簡化處理，忽略一些非關鍵部位小的銷釘孔以及小的倒角。

將葉片模型通過Parasolid格式從UG導入Hyper mesh軟件中，使用四面體網格和六面體網格的混合網格劃分，在保證精度的同時大大減少了工作量。

混合網格模式下，利用三維20節點六面體單元與10節點四面體單元綜合分網，兩種單元過渡處為金字塔單元；單元大小為1.000，最小單元大小為0.800，共計劃分單元數45 327個，節點數87 548個。

將Hyper mesh的網格模型導入Ansys軟件中時，進行渦輪葉片的應力分析。由于使得導入的模型在葉背位置出現明顯缺塊和網格劃分單元品質不高等原因，選擇solid187以及combin14單元對實際模型網格劃分進行修正，共計23 268單元，solid187單元數23，244個，combin14單元數24個，整個有限元模型共計44 237個節點，如圖2所示。

圖2 渦輪葉片有限元模型

2.2 材料屬性

渦輪葉片所使用的金屬材料為在Rene’80基礎上，適當提高合金元素鋁和鈦的含量，并添加合金元素鈮發展而成的以Ni－Cr固溶體為基體、有較高的熱強性、良好的綜合性能、足夠的抗氧化性能和滿意的組織穩定性，屬于耐高溫的強韌化材料。

在ANSYS中輸入材料參量。密度Dens，泊松比PRXY，彈性模量EX，導熱系數KXX（如圖3所示），熱膨脹系數ALPX（如圖4所示），比熱容進行有限元分析的準備。

表1 材料參量

圖3 Rene’80材料的溫度-彈性模量曲線與導熱系數曲線

圖4 Rene’80材料的溫度-熱膨脹系數曲線

2.3 載荷施加

（1）離心載荷。在葉片模型上施加繞X軸的1 323.61 rad/s旋轉角速度，使得葉片產生離心拉應力。

（2）溫度載荷。選取葉身部位的關鍵截面溫度，如表2。

表2 關鍵截面溫度數據

將關鍵截面溫度分布與實際工作溫度場進行比對發現，利用關鍵截面的溫度數據所施加的溫度場與實際工作溫度場的差別屬于允許范圍內（如圖5所示），可以利用這組數據進行溫度載荷的施加。

圖5 溫度場加載對比情況

（3）在實際葉片模型上施加的約束。有如下3項：

一是在各個榫頭上齒接觸面施加沿徑向約束；

二是由于渦輪葉片工作狀態下相互抵緊，在座臺與葉冠施加周向約束；

三是為了防止葉片在離心載荷作用下的翹曲變形，在座臺與葉冠施加軸向約束（如圖6）。

圖6 葉片約束施加情況

2.4 離心載荷和溫度場綜合分析

由圖7葉片變形情況、圖8葉身等效應力云圖以及圖9葉片等效應力云圖綜合分析，葉身部分應力主要集中于葉身與葉冠接觸部分、葉身與榫頭接觸部分，即應力危險區域主要分布于渦輪葉片上3個部位：

圖7 葉片變形情況

圖8 葉身等效應力云圖

圖9 葉片等效應力云圖

（1）葉身與榫頭接觸部位。此處為葉身部分受到離心載荷最大的部位，由于約束作用會產生應力集中還有彎曲應力、扭轉應力存在。而且葉身部分與榫頭部分溫度分布相差較大，進而引起很大的熱應力。

（2）葉身與葉冠接觸部位。此處葉身較薄，與葉冠部分由于約束作用，會產生應力集中，同時由于溫度分布不同，引起熱應力。工作載荷會使此處產生較大塑性變形，而使應力重新分布，對葉身壽命產生較大的影響。

（3）葉身溫度最高部位。此處產生離心應力水平中等，但由于高溫會使得材料性能的改變，容易產生較大的危險。

由圖10葉片溫度分布情況可以看出，葉身與榫頭接觸部位以及葉身與葉冠接觸部位的溫度在830～870℃之間，為提高安全性，以870℃標準進行分析計算。

圖10 葉片溫度分布情況

在圖11溫度-屈服/極限應力曲線中，將850～900℃之間的屈服極限視為線性變化，則可得到870℃是屈服極限為618.7 MPa；將900～950℃之間的屈服極限視為線性變化，則可得到920℃是屈服極限為495.14 MPa。

圖11 溫度-屈服/極限應力曲線

葉身部分最大應力出現于葉尖截面，應力值為456.79 MPa，如圖12所示。

圖12 葉尖截面等效應力云圖

但在葉片最高溫部位（如圖13所示），高溫使得材料性能惡化，雖然此處應力并非最大值，但相對葉根、葉尖部分，此處安全系數低，危險程度大。

圖13 葉身最高溫度截面應力云圖

在實際葉片工作載荷條件下，葉身部分較為安全，各部分最大應力都沒有超過屈服極限，安全系數較為合理，如表3。

表3 應力危險區域最大應力

因此實際葉片工作狀態下葉身部分應力水平處于較為安全的范圍。

2.5 不同工況下的應力分析比較

由于葉身部分在基本載荷條件下處于安全狀態，在保證葉身強度的基礎上，適當提高負載情況進行強度性能運算。

（1）將渦輪前溫度提高10℃，結果如表4所示。

表4 應力危險區域最大應力（溫度提高10℃）

（2）將渦輪前溫度提高20℃，溫度場對比如圖14，結果如表5所示。

圖14 溫度場對比

表5 應力危險區域最大應力（溫度提高20℃）

（3）將發動機轉速提高5%變為13 272 r/min，結果如表6所示。

表6 應力危險區域最大應力（轉速提高5%）

（4）將發動機轉速提高10%變為13 900 r/min，結果如表7所示。

表7 應力危險區域最大應力（轉速提高10%）

（5）將渦輪前溫度提高10℃同時將發動機轉速提高5%，結果如表8所示。

表8 應力危險區域最大應力（溫度提高10℃，轉速提高5%）

2.6 分析對比得出的結論

將各表中數據進行分析對比，可得出結論如下：

（1）提高渦輪前溫度，會使得葉身熱應力水平整體提高，對葉身高溫部分的影響尤其顯著。將渦輪前溫度提高10℃后，葉身高溫部分的應力增加情況高于其他部位；將渦輪前溫度提高20℃后，葉身高溫部分的應力已經接近屈服極限，不適于工作。

（2）提高發動機轉速，會使得離心應力水平整體提高，在榫頭接觸和葉冠接觸部分的應力變化較大。轉速提高，離心應力水平大幅提高，在連接榫頭和葉冠部分的應力增加明顯。

（3）提高渦輪前溫度與發動機轉速時，等效應力增加情況遠大于單方面影響的情況，需要適當選取工況上限。

3 結束語

利用有限元分析軟件，將實際葉片轉化為有限元模型，以實際葉片的最大工作轉速和溫度場為載荷，進行模擬計算。應力危險區域，主要分布于渦輪葉片上3個部位：葉身與榫頭接觸部位，葉身與葉冠接觸部位，葉身溫度最高部位。在實際葉片工作載荷條件下，葉身部分較為安全。

適當提高葉片最大工作轉速和渦輪前溫度，加大葉片的離心載荷和熱負荷，提高渦輪前溫度，會使得葉身熱應力水平整體提高，對葉身高溫部分的影響尤其顯著。提高發動機轉速，會使得離心應力水平整體提高，在榫頭接觸和葉冠接觸部分的應力變化較大。同時提高渦輪前溫度與發動機轉速時，應力增加情況遠大于單方面影響的情況。對于渦輪葉片而言，通過提高發動機轉速來提高發動機整體性能，比提高渦輪前溫度更加安全可靠。

[1]饒壽期.航空發動機的高溫蠕變分析[J].航空發動機，2004，30(1)：10-13.

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[4]閆曉軍，聶景旭.定向結晶渦輪葉片蠕變/疲勞壽命的試驗與分析[J].航空動力學報，2005，20(6)：27-33.

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