涡轮叶片热疲劳分析

徐昆鹏 苏长青

摘 要：针对涡轮叶片工作产生的热疲劳破坏问题，利用Solidworks三维建模软件建立叶片CAD模型，运用ANSYS有限元软件workbench模块对其进行300℃～600℃温度梯度工况下的热疲劳分析，分析得到涡轮叶片温度场和热应力分布云图，确定了涡轮叶片危险部位及应力分布情况，进而对涡轮叶片进行疲劳寿命预测，研究结果对提高涡轮叶片可靠性提供借鉴与参考。

关键词：涡轮叶片 有限元 ANSYS 热疲劳

中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0082-02

叶片作为航空发动机的重要组成部分，担负着能量转化的重任。国内外学者对涡轮叶片的失效及安全性等问题普遍关注。文献1以叶片失效分析为背景，在推导出导向叶片瞬态温度场的计算方法后，通过ANSYS对导向叶片进行瞬态温度场数值分析，进而得到导向叶片瞬态热应力分布与热疲劳寿命的计算结果。文献2基于瞬态热/流耦合理论，通过ANSYS实现某型航空发动机涡轮导向叶片在热冲击作用下的温度场计算，并求解出叶片的热应力及振动模态。本文基于ANSYS有限元软件多次通过对涡轮叶片瞬态热疲劳仿真模拟的状况下研究300℃～600℃工作温度梯度下涡轮叶片热应力分布及疲劳寿命曲线，仿真结果对于研究发动机可靠性具有一定的指导意义。

1 模型建立

根据涡轮叶片结构特点，采用Solidworks软件进行实体建模，为下一步对叶片进行有限元热疲劳分析提供几何模型。将叶片三维模型导入ANSYS软件中，对叶片网格进行整体控制，网格划分采用solid186二次实体单元，最大网格不超过2mm，整体采取六面体网格划分（Hex Dominant），有196515个节点，51847个单元，所得叶片有限元模型如图1所示。

1.1 叶片材料参数

叶片使用的材料为GH4133B合金，属于一种正交各向同性材料，其材料密度为8210kg/m3。空气对流换热系数为10w/m℃，环境温度为22℃。不同温度下的热导率如下：100℃—12.1w/m℃、200℃—14.2w/m℃、300℃—16.7w/m℃、400℃—18.8w/m℃、500℃—21.4w/m℃、600℃—23.7w/m℃；不同温度下的热膨胀系数如下：100℃—11.6E-6℃、200℃—12.3E-6℃、300℃—12.4E-6℃、400℃—13.3E-6℃、500℃—13.8E-6℃、600℃—14.4E-6℃；不同温度下的弹性模量如下：20℃—215GPa、100℃—215GPa、200℃—215GPa、300℃—182GPa、400℃—173GPa、500℃—163GPa、600℃—163GPa；不同溫度下的泊松比如下：20℃—0.36、100℃—0.37、200℃—0.34、300℃—0.35、400℃—0.35、500℃—0.37、600℃—0.35； 不同温度下的屈服强度如下：20℃—719MPa、300℃—745MPa、400℃—746MPa、500℃—736MPa、600℃—720MPa。

1.2 涡轮叶片计算载荷及热边界条件

涡轮叶片工作在高温、高压和高转速条件下，所受载荷情况复杂，主要包括离心载荷、温度载荷以及高温燃气腐蚀等，其主要失效模式为疲劳失效，在航空发动机部件中，失效概率相对较高。本文主要考虑涡轮叶片工作时所受的温度载荷，通过对载荷数据的简化处理，在有限元软件中进行加载。

2 涡轮叶片热应力分析

针对模拟涡轮叶片工作时300℃～600℃状态下热疲劳分析，分析所得各个状态下温度场，由于涡轮叶片实际工作环境复杂，热源选择在涡轮盘与叶片接触的榫头处，从图1可以看出涡轮叶片温度从榫头到叶冠呈下降趋势，温度分布日趋合理。本文研究直接采用ANSYS workbench进行热应力分析，在得到上述温度场下，直接施加热载荷及热边界条件，其得到的应力分布云图如图2所示。

从图2可以看出各个温度梯度下的热应力分布图中危险部位为榫头与叶身的交界处。

3 热疲劳寿命分析

针对模拟涡轮叶片工作时300℃～600℃状态下热疲劳分析，分析所得各个状态下疲劳寿命曲线如图3所示。

从图3可以看出涡轮叶片的疲劳寿命曲线在不同温度工况下是整体下降的，在高温状况下降的起始点越早，下降的幅度最为突出。

4 结论

本文利用ANSYS workbench对某型涡轮叶片进行了热疲劳分析，主要得到以下结论：

（1）引起涡轮叶片产生热疲劳裂纹是在不均匀工作温度分布产生的高周循环热应力作用下产生的。

（2）航空发动机叶片升温主要是榫头部位温度开始升高，然后通过热传导、热对流等方式进行热的传递，从热应力分布图可以看出产生最大热应力的部位在榫头与叶身交界处。

（3）从上述300℃～600℃温度梯度下的疲劳寿命曲线可以得出涡轮叶片疲劳寿命整体下降，且在高周疲劳温度下降幅度最为明显。

参考文献

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