叶尖小翼结构对涡轮叶片强度的影响研究

陈奕宏，李 维

(中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引言

涡轮是将高温高压燃气中的能量转变为机械能的旋转机械，是燃气轮机的核心部件，其技术的先进程度直接与燃气轮机性能相关。叶尖泄漏流是叶轮机械转子中最普遍和有影响的流动现象之一，涡轮中大约三分之一的损失与叶尖泄漏流动有关[1]。叶尖小翼[2]作为一种能有效控制叶尖泄漏的方法，国内外学者对叶尖小翼也开展了诸多研究，以寻找利用叶尖小翼控制叶尖泄漏的最佳途径。但目前的研究主要集中在叶尖小翼结构的试验研究[3]和流场控制机理[4]研究，对叶尖小翼叶片的强度影响很少。

本文在设计点状态，对某型发动机燃气涡轮一级转子叶片添加叶尖压力面叶尖小翼、吸力面叶尖小翼、双侧叶尖小翼结构，并与原始叶片进行定常数值研究，对比分析了未造型的原始叶片和造型叶片的应力分布和位移变化，最后评估了叶尖小翼结构对叶片强度的影响。

1 研究对象与数值计算方法

1.1 研究对象

本文以某型发动机燃气涡轮一级转子作为研究对象，以叶片径向95%的位置作为造型起始点，对叶片叶顶部分进行周向造型，分别生成了压力面小翼、吸力面小翼、双侧小翼三种带叶尖小翼结构的叶片模型，小翼的宽度统一设置为2 mm，其中双侧小翼采用与压力面侧和吸力面侧小翼相同的结构拼接而成，各结构叶片如图1所示。

表1为不同叶尖结构叶片的重量变化，其中压力侧小翼由于长度不及压力面小翼，重量变化较小，双侧小翼相对于原始叶型重量增加了0.68%。

表1 不同叶尖结构叶片质量对比

图1 不同叶尖结构叶型示意图

表2为不同叶尖结构叶片的质心变化，由于叶尖小翼结构增加了叶片尖部的质量，三种叶尖小翼结构叶片质心均有Z轴(径向)的升高，且由于小翼结构在叶片周向的发展，叶片质心在X轴(发动机轴向)和Y轴(叶片轴向)都有相应变化。

表2 不同叶尖结构质心相对变化

1.2 数值计算方法

1.2.1 压力和温度载荷计算

对叶片进行强度计算前需要对叶片的温度载荷和压力载荷进行计算，该部分计算通过商用软件CFX求解雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程组实现。其中，湍流模型采用带有自动壁面处理的剪切应力输运模型(SST模型)。湍流项和对流项的离散均采用高阶格式。

计算域分为流体域和固体域两个部分，计算网格采用icem非结构化网格，固体域网格数量80万左右，流体域在叶尖间隙和叶片前尾缘处进行了加密，边界层第一层网格高度0.0025，层数设置为12层，网格y+控制在2附近，网格数量120万左右，两种计算域网格如图2所示。

图2 计算域网格

1.2.2 应力计算

在取得了叶片的压力载荷和温度载荷后，即可以对叶片进行应力计算分析。该部分计算采用Workbench软件三维有限元方法对叶片局部应力、变形和位移进行计算。

燃气涡轮一级工作转子的有限元网格见图3，模型采用十节点四面体和二十节点六面体单元，共划分有763947个单元，1157992个节点。

图3 叶片有限元网格示意图

2 叶尖小翼结构对叶片强度的影响

2.1 叶尖小翼结构对叶片最大应力的影响

图4和图5分别为四种不同叶尖结构叶型压力面和吸力面的当量应力分布图，不同叶尖结构吸力面压力面的最大当量应力值和两侧最大应力差值如表3—表5所示。

图4 不同叶尖结构叶型压力面应力分布图

表3 不同叶尖结构叶型吸力面最大应力

图5 不同叶尖结构叶型吸力面应力分布图

表4 不同叶尖结构叶型压力面最大应力

表5 不同叶尖结构叶型两侧最大应力差值

叶片当量应力分布图可以看出，由于叶尖小翼结构在叶片尖部增加了重量，三种叶尖小翼结构叶片尖部的应力分布与原始叶型相比均有所变化，原本仅在叶身出现的较高应力区域沿叶尖小翼结构延伸到了叶顶平面，而在叶根处的最大应力值也均有所上升，但叶尖小翼结构对叶身的应力分布规律并没有明显影响。

叶尖小翼结构同样对叶片最大应力的分布有较大影响，由于叶尖小翼改变了叶片的质心，四种叶片结构仅原始叶型最大当量应力出现在叶片吸力面。与原始叶型相比，吸力面小翼的质心偏移量较小，其对最大应力的增量和两侧的应力差值影响都相对较小；而压力面小翼和双侧小翼则均较大影响，压力面小翼由于质心偏移量大，叶片两侧的最大应力分布有很显著的变化。

2.2 叶尖小翼结构对叶片位移的影响

图6和表6为不同叶尖结构的综合位移示意图和最大综合位移值。叶片的最大综合位移均出现在叶片尖部尾缘位置，其中吸力面和压力面小翼的最大位移相比原始叶型有不同程度的增加，而双侧小翼则与原始叶型变化不大。

图6 不同叶尖结构叶型总位移分布图

表6 不同叶尖结构叶型综合位移

3 结论

本文对原始叶型、压力面小翼叶型、吸力面小翼和双侧小翼叶型进行了应力计算，分析了四种不同叶尖结构叶片的最大当量应力和最大综合位移。通过对不同算例的计算结果进行分析，可以得出以下结论：

1)涡轮叶尖小翼对叶身的应力分布规律无明显影响，但是会使叶尖处的高应力区沿叶尖小翼结构延伸至叶顶平面；

2)由于叶尖小翼结构改变了叶片的质心，对叶片两侧的最大应力差值有很大影响，其中压力面小翼由于偏离较大，叶片两侧最大应力相差30 MPa；

3)双侧叶尖小翼结构对叶片的综合位移影响较小，压力面和吸力面小翼结构叶片的综合位移相比原始叶型分别增加0.029 mm、0.032 mm。

尽管叶尖小翼结构作为一种有效抑制叶尖泄漏的结构被广泛研究，但其对叶片强度有显著的影响。本文所论述的内容关系到叶片的可靠性和使用寿命，对带叶尖小翼的涡轮叶片设计有积极的意义。