某航空发动机涡轮叶片有限元应力分析

王瀚艺 王进

摘   要：航空发动机涡轮叶片高温、高转速的工况以及几何形状的特殊性决定了涡轮叶片工作中所承受载荷的复杂性。为了保证飞行的安全以及发动机的稳定性，需要对涡轮叶片工作过程中的应力分布情况加以研究。文章利用Geomagic Studio软件对涡轮叶片进行模型建立，运用ANSYS对其进行分析，研究了分别在温度、气动力以及离心力作用下的叶片应力分布，得到了3种因素综合作用下的应力分布形式，为叶片改型和后续研究奠定了理论基础。

关键词：涡轮叶片;有限元分析;温度场;应力分布

航空发动机涡轮叶片运作过程需要面临高温、高转速等复杂工况，加之涡轮叶片几何形状的特殊要求，工作中涡轮叶片必将面临非常复杂的应力作用。为了避免由于局部应力过大而导致涡轮叶片破损或断裂现象发生，需要对涡轮叶片在多重环境下的应力分布情况进行分析[1-4]。

利用Geomagic Studio软件进行逆向分析，重构涡轮叶片模型，运用ANSYS软件对模型进行网格划分并设置边界条件、初始条件等参数，分析了分别在温度场、气动力和离心力作用下涡轮叶片的应力分布，最后研究了在3种因素综合作用下的叶片应力分布，找到了涡轮叶片应力和形变的最大点所在处及其数值大小，为叶片安全工作和改型设计创造了理论基础。

1    三维有限元建模

通过三维扫描，对某航空发动机涡轮叶片进行精准扫描，得到其三维点云数据，通过Geomagic Studio进行曲面重构处理，将处理后的模型导入ANSYS软件定义流场边界、网格处理，接着对模型施加约束，设置边界条件和初始条件，即可对该涡轮叶片进行相应有限元分析。模型及叶片网格划分如图1所示。

2    结果分析

图2给出了涡轮叶片在温度场作用下的应力场，可以看出，温度场作用下，热应力最大点位于叶根前缘处，最大值为480.47 MPa。意味着此处在温度场作用下最容易有裂纹出现，在工作中尤其需要注意检查，而叶片形变最大点处于叶尖附近，最大形变量为0.3 mm。

图3给出了涡轮叶片仅在气动力作用下的形变场和应力场，可以看出，气动载荷作用下，叶片形变最大点出现在叶尖后缘区域，最大形变为0.99 mm。应力最大点位于根部后缘区域，最大值为350.23 MPa。

综合考虑气动载荷、热载荷以及离心力3方面因素，得到某涡轮叶片综合应力分析如图4所示。

图4给出了在气动力、热应力和离心力三重因素下涡轮叶片形变和应力分布。从图4中可以看出该工况下叶片形变最大点出现在叶尖附近，最大形变为2.44 mm，形变本身随着叶片高度增大而递增。叶片综合应力最大点出现在叶片根部附近区域，最大值为914.76 MPa，低于叶片材料所能承受的最大应力。从表1能看出，温度场对涡轮叶片带来的应力影响最大，而离心力作用带来的影响最小。

3    结语

航空发动机涡轮叶片由于形状及其工作环境的特殊性，运行过程中承受着非常复杂的载荷。为了避免由于应力过大导致叶片受损或断裂，需要对涡轮叶片进行应力分析。运用geomagic studio对某航空发动机涡轮叶片进行模型重构，利用ANSYS Workbench软件对模型进行网格分析及应力分析，研究了叶片在温度场、气动力和离心力以及3大因素综合作用下的叶片应力分布，得出以下结论：

涡轮叶片表面温度随着叶片高度增加呈现出先增大后减小的变化規律，这与进口面温度分布大体一致。

仅在温度场、气动力或离心力的单独作用下，涡轮叶片应力最大点几乎都在叶根前缘区域;形变最大点几乎都在叶尖后缘区域，两者数值大小有所不同。

在温度、气动力和离心力3大因素综合影响下，最大应力点出现在叶根前缘区域，应力最大点同样在叶尖后缘区域，应力最大值914.76 MPa，低于叶片最大承受应力。同时，温度场作用对叶片应力影响最大，气动力次之，离心力因素最小。

[参考文献]

[1]宋兆鸿.航空发动机可靠性与故障抑制工程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[2]曾波.某航空发动机涡轮叶片动态可靠性建模与分析[D].成都：电子科技大学，2013.

[3]郭军刚，胡丽国，王春侠，等.流固耦合在涡轮叶片瞬态传热仿真中的应用[D].北京：北京精密机电控制设备研究所，2010.

[4]陈立杰，谢里阳.某航空发动机压气机叶片气动负荷的近似计算[J].空军工程大学党报（自然科学版），2004（4）：3-5.