基于ANSYS和NUMECA的航空发动机涡轮风扇叶片结构仿真分析

林 静 潘苏瑜

基于ANSYS和NUMECA的航空发动机涡轮风扇叶片结构仿真分析

林 静 潘苏瑜

（华侨大学 机电及自动化学院，厦门 361021）

本文通过UG软件对NASA Rotor67风扇叶片进行建模，使用ANYSY对其进行离心静变形仿真分析，运用NUMECA对其进行气动力仿真分析，得出叶片在离心力和气动力作用下的变形情况。

涡轮风扇叶片 NASA Rotor67 UG NUMECA 仿真

引言

涡扇发动机，尤其是高涵道比涡扇发动机的风扇叶片是发动机性能的重要衡量标准之一。因为其产生的推力是涡扇发动机外涵道推力的全部来源。风扇叶片是涡轮风扇发动机的重要零件。NASA Rotor67是NASA Lewis研究中心设计的二级风扇中第一级轴流跨声速转子，是为数不多有详细公开发表测试数据的算例。该风扇被广泛应用于气动计算。本文选取跨声速风扇叶片NASA Rotor67叶片为算例，运用UG软件进行建模，利用ANSYS对其进行离心静变形仿真分析，利用NUMECA对其进行气动仿真分析。为了缩短计算时间，提高效率，转子叶片绕旋转轴转动a=2π/N（N为叶片数）。由于结构的几何形状和转动前完全一样，因此仅对其中一个叶片进行建模分析即可。

1 Rotor67涡轮风扇叶片UG建模

图1 NASA Rotor67叶片几何模型

图1为依据相关文献给出的数据而绘制的NASA Rotor67叶片几何模型。在涡轮风扇叶片的工作过程中，主要承受如下载荷：1.气动载荷；2.叶片本身的质量离心力；3.轮缘部位与轮盘中心部位的温度梯度。研究结果表明，对于风扇级而言，温度载荷对变形的影响远远小于离心力和气动力。因此，本课题重点讨论了离心力和气动力的影响，而没有考虑热负荷的影响。

2 运用ANSYS分析叶片离心静变形

利用ANSYS文件接口将建好的UG叶片模型导入ANSYS中。基于原始热态叶型的有限元模型采用六面体单元，材料参数为：密度4440kg/m3，泊松比0.34，杨氏模量112GPa。叶片网格采用映射网格划分，叶片底面施加全约束，采用有限元软件ANSYS，对NASA Rotor67叶片在16043r/p转速下离心负载引起的变形进行离心静变形仿真分析。

在离心力作用下，叶片的最大变形量为5.24mm，且处于叶尖前缘处。比较本论文的分析结果（见图2）和相关论文的计算数据（见图3），结果表明模型分析结果正确可行。

图2　本文计算的叶片在离心力作用下的静变形图

图3　相关文献论文计算的叶片静变形图

3 运用NUMECA分析NASA Rotor67叶片在气动力作用下的变形情况

（1） 准备几何模板。提取ps、ss、hub、shroud线的dat数据，导入numeca前处理网格生成器igg模块中，利用放样功能生成叶片几何模型；将igg中生成的几何文件分别导入Autogrid4，并设置叶片数、叶片伸长量、壁面第一层网格宽度等参数，为Autogrid5生成网格准备几何模版。

Rotor67在中径处的主要参数情况如下。叶形：多圆弧；叶片数：22；机匣进口半径：243.84mm；轮毂进口半径：95.25mm；轮毂出口半径：130.56mm；展弦比：1.6（定义为叶片进口叶高与中径处弦长之比）；转子设计转速：16043r/p；设计点流量：33.25kg/s；压比：1.629；效率：接近0.9；转子进口相对马赫数：1.38。

（2）分网。将生成的模版文件（geomturbo）导入Autogrid5中，设置子午面等相关参数，划分网格，最终生成的网格不能存在负网格，否则计算无法进行。一般的推荐参数为：最小网格正交角度≥5°，最大网格长宽比≤5000，最大网格延展比＜10。对于网格的正交性而言，有时会出现最小网格正交角小于1的情况。但只要不存在负网格，就可以接着进行后续的计算分析。

（3）在Fine/Turbo中进行流体计算。在Fine/Turbo中，根据叶片的工况，设置其工作介质、流动模型、边界条件、数值参数以及求解初场等相应参数值；分析Rotor67叶片在气动载荷作用下的变形情况，并在CFView后处理器中进行数据的查看及导出。图4即为叶片在气动力作用下的总压分布。

图4　叶片在气动力作用下的总压分布

从叶片的表面总压分布情况来看，叶片的压力面总压大于吸力面总压，且总压的数值沿着叶片的叶高方向在增加。在风扇转子带有间隙的算例模拟的流场中，由于激波和泄露波的相互作用，使得流场在叶尖附近沿径向变化剧烈，膨胀波的形状受其影响产生变形。

4 结束语

涡轮部件，是航空发动机的三大高压部件之一。涡轮叶片在高压与高温的工作环境中工作时，主要承受两种载荷：一种是由于高速旋转时叶片自身质量产生的离心载荷，另一种是气流流过叶片产生的气流载荷。两种载荷都会产生扭转变形，破坏各叶片之间的协调工作，从而导致流动损失的增大、功率的变化及运行的不稳定性，甚至是破坏性事故。因此，分析风扇叶片在工况下的受力和变形情况尤为必要，特别是对于发展大涵道比的跨声速风扇，有着重要的工程应用价值。

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[5]郑赟，王彪，杨慧.跨声速风扇叶片的静态气动弹性问题[J].航空动力学报，2013，（11）：2475-2482.

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[7]魏玲.跨声速压气机转子三维流场Navier-Stokes方程数值模拟[D].南京：南京航空航天大学，2005.

Based on ANSYS and NUMECA Aeroengine Turbine Fan Blade Structure Simulation Analysis

LIN Jing,PAN Suyu
（Huaqiao University School of electrical and automation,Xiamen 361021）

Based on the UG software to NASA Rotor67 fan blade modeling, the ANYSY on it from Harbin deformation simulation analysis, using NUMECA to aerodynamic simulation analysis, draw a leaf under the action of centrifugal force and deformation of the situation.

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