離心載荷和熱載荷對渦輪葉冠扭向的影響研究

付仲議

(1.中國航空發動機集團有限公司 湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

0.引言

航空發動機渦輪動葉工作狀態除承受離心拉伸應力、彎曲應力、熱應力、振動應力作用外，還要受到扭轉應力的作用。扭轉應力來自3個方面，一是葉片離心力的周向分力產生的扭轉應力即離心扭轉，二是作用在葉片上的氣動力作用中心與葉片剛心不重合產生的氣動扭轉，三是由于葉尖和葉根型面安裝角不同引起的扭轉，俗稱為自然扭轉(實質也是離心扭轉)[1]。這三種扭轉的綜合作用的結果，使得動葉葉冠接觸工作面松緊程度隨工作狀態的變化而變化，而且隨著工作時間的增長而加劇，這不僅會造成微動磨蝕，甚至撞擊，而且改變了葉片的自振頻率，改變了葉片的振動特性，嚴重影響葉片的可靠性和壽命，危及發動機的安全。

因此有必要研究渦輪葉片葉冠在工作狀態下，各種載荷對葉冠變形和扭向的影響，從而評估渦輪葉片葉冠接觸工作面松緊程度隨工作狀態的變化，為葉冠的結構設計提供參考，保證渦輪葉片的安全工作[2]。

本文將針對某型發動機一級和二級動力渦輪葉片葉冠，通過數值分析方法研究，分別在葉冠自由狀態和接觸狀態下離心載荷對渦輪葉片葉冠變形的影響。

1.計算模型

一級葉片葉冠基本尺寸見圖1，最大外徑φ517mm，軸向長度20mm，葉冠接觸面與x軸夾角60°，葉冠預扭1.5°。二級葉片葉冠基本尺寸見圖2，最大外徑φ544mm，軸向長度20mm，葉冠接觸面與x軸夾角60°，葉冠預扭1.5°。葉片材料為K480,輪盤材料GH4720，轉速為每分鐘17000轉。葉片網格劃分采用六面體網格，其中葉冠的網格尺寸較小，為0.5mm。

圖1 一級（左）和二級（右）葉片葉冠基本結構

2.結果分析

2.1 離心載荷對葉冠扭向的影響

2.1.1 自由狀態離心載荷對葉冠扭向的影響

一級和二級葉片葉冠變形圖（5倍放大圖）見圖2，均為葉盆朝上。

圖2 葉冠自由狀態總變形圖（單位：mm）

從葉冠扭轉的角度進行分析，在離心載荷下，一級和二級葉片葉冠均發生了俯視順時針旋轉，即在尾緣從葉盆扭向葉背。這種扭轉會增加葉冠接觸面之間的緊度。但由于一級葉片葉盤結構周向和軸向約束面較遠，因此發生了更大的向后的軸向位移和向葉背的周向位移。使得扭轉角略小，但增加了總位移。

2.1.2 接觸狀態離心載荷對葉冠扭向的影響

一級和二級葉片葉冠在接觸狀態下的變形圖（2倍放大圖）見圖3，均為葉盆朝上。

圖3 葉冠接觸狀態總變形圖（單位：mm）

一級葉片總變形接觸狀態為1.48mm，自由狀態為1.92mm，由于自由狀態下葉片發生了較大的周向和軸向位移，葉冠接觸起到了很好的抑制作用。分析周向位移，葉身前緣部分往葉背方向的位移大于尾緣部分，說明發生了俯視逆時針旋轉，即在尾緣從葉背扭向葉盆。這種扭轉會減少葉冠接觸面之間的緊度。

分析各葉片，在不考慮接觸時，葉冠在離心載荷作用下均呈現了俯視逆時針扭轉的趨勢，而在考慮接觸時，又呈現了俯視順時針扭轉的趨勢，但扭轉趨勢減弱。在不考慮接觸時，二級葉片葉冠扭轉最為嚴重，而在考慮接觸時，一級葉片反扭最為嚴重。

2.2 熱載荷對葉冠扭向的影響研究

2.2.1 自由狀態熱載荷對葉冠扭向的影響

一級葉片葉盆朝上，其單個葉片的計算模型見圖4，圖中變形為在直角坐標系下的5倍放大圖。

一級葉片總變形為1.89mm，其中徑向變形為1.88mm，是變形的主要因素。軸向變形最大為0.50mm，葉冠前緣最大周向變形為0.27mm。葉冠的變形主要體現為徑向和軸向，而周向變形相對較小，扭轉變形不明顯。二級葉片變形特點與一級葉片相類似，徑向變形為主要因素。由此可見，熱載荷主要帶來徑向變形，對周向變形基本沒有影響。

2.2.2 接觸狀態熱載荷對葉冠扭向的影響

接觸狀態熱載荷變形見圖5，兩型葉片均葉盆朝上。一級葉片葉冠總變形為2.14mm，徑向變形為2.12mm，二級葉片葉冠總變形為1.33mm，徑向變形為1.16mm。與單個葉片相類似，接觸狀態時熱載荷主要引起徑向變形。

圖5 熱載荷下葉冠接觸狀態總變形圖（單位：mm）

從圖5可見，在熱載荷的作用下，各葉片在自由和接觸狀態均呈現了葉片尾緣從葉背向葉盆的扭轉，這種扭轉使得接觸面緊度減少。但各葉片影響大小不同。對于一級-2葉冠在自由狀態扭轉較大，但接觸狀態趨勢不同，一級葉冠接觸面緊度增大，二級葉冠接觸面緊度減小。在自由和接觸狀態條件下，熱載荷均對葉冠的扭轉影響較小；若有影響，會導致葉冠在尾緣處從葉背向葉盆方向的扭轉，這種扭轉導致葉冠接觸面緊度減少。

3.結語

本文通過數值模擬研究了離心載荷和熱載荷對渦輪葉冠變形和扭向的影響，結論如下。

在不考慮接觸的條件下，離心載荷導致葉冠接觸面緊度增大。而在考慮接觸時，離心載荷導致葉冠接觸面緊度減小。在沒有預設緊度的前提下，離心載荷有可能導致葉冠接觸面松開而不能抵緊。

在自由和接觸狀態條件下，熱載荷均對葉冠的扭轉影響較小；若有影響，會導致葉冠在尾緣處從葉背向葉盆方向的扭轉，這種扭轉導致葉冠接觸面緊度減少。