某型航空发动机导向器的热－结构耦合分析

艾书民，王克明，缪 辉，赵 帅

(沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳 110136)

随着航空发动机技术的不断发展以及发动机故障诊断水平的提升，发动机部件结构承受热载荷作用下的工作特性研究越来越多，其中导向器结构在温度作用下的工作状态和特性尤其受到人们的重视，而对于导向器结构的热－结构耦合分析鲜有报道。近年来，国内开展了很多关于航空发动机结构与温度场耦合问题的研究工作。孙杨、鲁健［1］等人对某型涡轮导向器在热载荷作用下的热应力问题进行了分析，对于导向器部件的研究工作也有很好的借鉴意义;崔健［2］对某型航空发动机导向器开展了热应力研究，但对于温度载荷施加方法以及网格选取方面还有很大的改进的空间。

1 某型航空发动机导向器几何结构建立与网格划分

发动机导向器的整体结构是非常复杂的，本文采用UG建模软件对该导向器结构进行了适当简化，结构模型主要包括外环、叶片、内环、内支撑环4部分，结构中简化的地方主要有:(1)为简化建模，叶片与内外环的连接简化为整体连接，省略了螺栓等连接件;(2)对内支撑结构和内支撑环［3］的螺栓连接处和开孔处进行了省略，这是考虑到内支撑和内支撑环区域不是主要的温度载荷施加区域，故进行了适当简化;(3)为网格划分和保证计算精度对导流叶片叶形进行了适当化简，去掉了叶型中的尖锐部分，以多边形代替，但保持了叶片的弯扭特征;(4)为施加约束方便，内支撑结构简化为近似圆环。

图1 某型航空发动机导向器结构

导向器结构是一种对称结构［4］，即群循环对称结构。符合这一条件的最小旋转角称为循环周期。为一整数，称为循环对称阶数，整个结构可以绕轴划分为个相同扇区，每个扇区相差角度。涡轮盘在结构上成旋转周期性。对于涡轮盘需要按三维群循环对称结构处理。该型涡轮导向器周向共72片导流叶片，为计算方便，可取，循环对称阶数，这样就可以按照对称结构的处理办法将模型进一步化简。

在网格划分方面本文采用ANSA网格划分软件结构进行了手动网格划分，保证了网格的质量和网格精度。单元全为六面体单元，这种单元与自由分网中的四面体单元相比有计算精度高、占用计算机内存少以及节省计算时间等优点。单元类型在分析过程中选择为solid70和solid185，这2种单元可在热－结构耦合分析中相互转换，且精度也能满足要求。由于计算模型的复杂性和计算机内存的限制，网格划分不能够过于精密，本文的有限元模型精密程度以计算机计算内存为参照，简化的同时保证了计算的可行性和计算精度。

图2 结构有限元网格和1/72结构网格划分

2 场序热－结构耦合方法

在热－结构耦合问题中，温度载荷如何准确施加于结构之上以及如何采用怎样的分析方案是非常重要的，目前在这方面比较好的处理办法包括直接耦合法和场序热－结构耦合方法，其中场序热－结构耦合分析是有限元多场耦合分析中的一种重要方法，适合于计算的多场之间顺序影响的状况，本文所研究的问题中温度场对导向器结构振动特性以及应力分布的影响可以看作为单向影响，正适合采用场序热－结构耦合方法。该方法先利用初始温度条件对结构进行稳态温度场分析，得到结构在稳态温度场下的节点温度文件，然后转换分析单元，导入结构材料特性曲线，将热分析中的得到的节点温度文件导入并作为温度载荷施加到结构节点上去，最后进行分析计算，求解并得到结构振动和应力特性数据。

稳态温度－空间场数据复杂，直接施加于结构难度较大，在施加温度边界条件之前应对该温度边界条件进行适当化简，目前可以采用的方法有线性分段插值方法，即先将温度初始条件进行分段差值，然后将处理后的数据导入结构，利用有限元软件自身的插值计算能力求解出初始温度条件下的结构稳态温度场分布状况。在热－结构耦合求解问题方面，比较优秀的软件有ANSYS有限元软件等，ANSYS有限元软件本身具有较强的插值运算能力以及强大的热－结构耦合分析能力，能够胜任温度场作用下的结构振动分析及热应力求解问题。

3 热－结构耦合的计算求解

3.1 材料特性和温度初始条件

该型导向器叶片、内外支撑结构材料均为高温材料GH36，其基本参数见表1，密度为8.89×103k/m3，温度变化对泊松比的影响较小，本文中取μ=0.3。

表1 材料特性参数

表1中的数据在有限软件中都可以处理拟合曲线的形式，在后续分析中，温度－材料特性曲线可以与结构温度场实现较好的耦合。

根据实测数值简化结构温度初始条件［5］得到图3所示的简化温度分布示意图，进一步提取关键位置的温度数据，就能够通过有限元软件对温度初始条件进行分布插值运算，从而得到导向器结构在工作状态下的温度分布情况，进一步提取热分析中得到的温度空间场，就得到了在结构分析中需要的温度载荷条件，这样就可以完成温度载荷的施加。温度载荷施加过程还应当注意单元类型的转换，由于场序热－结构耦合方案下的分析包括热分析与结构分析两大部分，而在不同分析时对有限元网格单元的要求也不一样，本文首先计算结构温度场，在ANSA网格划分软件导出的有限元模型数据文件中先将单元类型设为热分析单元solid70，在后续的机构分析中可以使用有限元软件自身的单元转换工具将热单元solid70转换成与之相对应的结构单元solid185，通过这种转换，使得分析能够在热、结构两个求解领域中连续而稳定。

图3 温度初始条件示意简图

3.2 热应力求解

利用温度初始条件首先对结构进行热分析计算，求解得到温度分布如图4所示。

图4 热分析得到的温度场

如前所述通过对于结构的热分析得到的温度分布状态将作为后续分析的初始条件，首先采用提取空间温度场的方法得到结构空间－温度载荷文件，在之后的热－结构耦合分析中，调用该文件作为温度载荷施加于结构之上，这样就完成了温度载荷在结构上的施加。

求解得到常温状态和温度场作用下结构前十阶固有模态，如表2所示。

由上表可见结构在温度场的作用下固有频率同常温状态下的计算结果相比较要低一些，结构模态的对比见图5和图6所示。

常温状态下模态:(1、3、5、7 阶)

图5 常温状态下振动模态

温度场下模态:(1、3、5、7 阶)

图6 温度场作用下模态

结构的总径向应力，切向应力及其当量应力［7］(Von－Mises应力)分布见图7～图9所示。

图9 当量应力云图

由于导向器结构为循环对称结构，其应力分布呈现轴对称特性，为提高计算效率，本文在求解导向器结构应力分布时采用了1/72导向器模型。

计算结果表明，结构所受径向应力大部分为拉应力，外环机匣局部有压应力，切向应力在内环部分是压应力，而在导向器外环、叶片、内支撑环等区域是拉应力。整个导向器结构的热应力分布特点是叶片与内环、外环连接区域应力水平较高，其他区域受到的热应力较小。

4 计算结果分析

分析前面热应力的求解结果可以看出，导向器径向应力在绝大区域上表现为拉应力，切向应力在外环、内支撑环等大部分区域表现为拉应力，而在内环与内支撑环连接区域是表现为压应力。整个导向器的当量应力分布规律是叶片与内外环连接区域热应力值相对较高，其他区域热应力水平较小。在叶根与内环连接区域产生了最大的应力及应变量，其平均等效应力水平在100 MPa～200 MPa，最大应力处应力为 371.6 MPa。

图10 热应力和热应变较为集中区域

材料在不同温度下的力学性能见表3、表4。

表3 不同温度下材料的拉伸性能

表4 不同温度下材料的50小时持久强度

导向器结构中导流叶片的工作温度最高，对于该型发动机，其导向叶片在工作状态下的最高温度可接近900℃，根据表3和表4给出的材料静强度和持久强度性能可以发现，该导向器考虑静强度时整体上都是满足设计要求的，热应力水平也在允许范围之内，而若持续工作时间达到50小时以上，叶片叶根区域可能会由于局部应力值过高而产生热疲劳。

5 结论

(1)考虑温度场作用下的导向器结构固有频率计算值要低于常规方法不考虑温度场情况下的计算值，较好的验证了温度场对结构振动问题求解的修正特点;

(2)由应力云图可知，稳定工作状态下导向器的最大应力集中发生在叶片与内外环连接区域，因此该区域是进行强度计算的关键部位;

(3)该航空发动机涡轮导向器结构整体上满足结构静强度设计要求，而对于持久强度设计要求来说，导流叶片可能不满足50小时持久强度设计要求，其叶根区域有可能会因热应力过大而引起热疲劳。

［1］孙杨，鲁建，郑严，等.某涡喷发动机涡轮导向器的热应力分析［J］.推进技术，2004(04):357－359.

［2］崔健.涡轮导向器叶片热应力的有限元计算分析［D］.沈阳:沈阳工业大学，2007.

［3］刘长福.航空发动机结构［M］.北京:国防工业出版社，1989.

［4］李松涛，许庆余，张小龙.透平机械离心压缩机和离心泵叶轮动力分析的三维旋转循环对称CN群算法［J］.应用力学学报，2005(6):169 －174.

［5］孙杨，洪杰.某涡轮喷气发动机涡轮导向器温度分布及热应力计算［R］.北京:航天科工集团三院31所，2000.

［6］王相平，徐鹤山.有限元计算中的叶片边界条件的选取［J］.航空发动机，1998(4):43－46.

［7］李川，王克明，尹帮辉，等.某型航空发动机低压涡轮盘的强度计算［J］.沈阳航空工业学院学报 ，2009，26(4):1－4.

［8］吴志广，王克明，张利民.静子叶片内环结构对机匣动力特性的影响［J］.沈阳航空工业学院学报，2010，27(4):23－26.