离心载荷和热载荷对涡轮叶冠扭向的影响研究

2021-08-02付仲议

中国科技纵横 2021年9期

付仲议

(1.中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002）

0.引言

航空发动机涡轮动叶工作状态除承受离心拉伸应力、弯曲应力、热应力、振动应力作用外，还要受到扭转应力的作用。扭转应力来自3个方面，一是叶片离心力的周向分力产生的扭转应力即离心扭转，二是作用在叶片上的气动力作用中心与叶片刚心不重合产生的气动扭转，三是由于叶尖和叶根型面安装角不同引起的扭转，俗称为自然扭转(实质也是离心扭转)[1]。这三种扭转的综合作用的结果，使得动叶叶冠接触工作面松紧程度随工作状态的变化而变化，而且随着工作时间的增长而加剧，这不仅会造成微动磨蚀，甚至撞击，而且改变了叶片的自振频率，改变了叶片的振动特性，严重影响叶片的可靠性和寿命，危及发动机的安全。

因此有必要研究涡轮叶片叶冠在工作状态下，各种载荷对叶冠变形和扭向的影响，从而评估涡轮叶片叶冠接触工作面松紧程度随工作状态的变化，为叶冠的结构设计提供参考，保证涡轮叶片的安全工作[2]。

本文将针对某型发动机一级和二级动力涡轮叶片叶冠，通过数值分析方法研究，分别在叶冠自由状态和接触状态下离心载荷对涡轮叶片叶冠变形的影响。

1.计算模型

一级叶片叶冠基本尺寸见图1，最大外径φ517mm，轴向长度20mm，叶冠接触面与x轴夹角60°，叶冠预扭1.5°。二级叶片叶冠基本尺寸见图2，最大外径φ544mm，轴向长度20mm，叶冠接触面与x轴夹角60°，叶冠预扭1.5°。叶片材料为K480,轮盘材料GH4720，转速为每分钟17000转。叶片网格划分采用六面体网格，其中叶冠的网格尺寸较小，为0.5mm。

图1 一级（左）和二级（右）叶片叶冠基本结构

2.结果分析

2.1 离心载荷对叶冠扭向的影响

2.1.1 自由状态离心载荷对叶冠扭向的影响

一级和二级叶片叶冠变形图（5倍放大图）见图2，均为叶盆朝上。

图2 叶冠自由状态总变形图（单位：mm）

从叶冠扭转的角度进行分析，在离心载荷下，一级和二级叶片叶冠均发生了俯视顺时针旋转，即在尾缘从叶盆扭向叶背。这种扭转会增加叶冠接触面之间的紧度。但由于一级叶片叶盘结构周向和轴向约束面较远，因此发生了更大的向后的轴向位移和向叶背的周向位移。使得扭转角略小，但增加了总位移。

2.1.2 接触状态离心载荷对叶冠扭向的影响

一级和二级叶片叶冠在接触状态下的变形图（2倍放大图）见图3，均为叶盆朝上。

图3 叶冠接触状态总变形图（单位：mm）

一级叶片总变形接触状态为1.48mm，自由状态为1.92mm，由于自由状态下叶片发生了较大的周向和轴向位移，叶冠接触起到了很好的抑制作用。分析周向位移，叶身前缘部分往叶背方向的位移大于尾缘部分，说明发生了俯视逆时针旋转，即在尾缘从叶背扭向叶盆。这种扭转会减少叶冠接触面之间的紧度。

分析各叶片，在不考虑接触时，叶冠在离心载荷作用下均呈现了俯视逆时针扭转的趋势，而在考虑接触时，又呈现了俯视顺时针扭转的趋势，但扭转趋势减弱。在不考虑接触时，二级叶片叶冠扭转最为严重，而在考虑接触时，一级叶片反扭最为严重。

2.2 热载荷对叶冠扭向的影响研究

2.2.1 自由状态热载荷对叶冠扭向的影响

一级叶片叶盆朝上，其单个叶片的计算模型见图4，图中变形为在直角坐标系下的5倍放大图。

一级叶片总变形为1.89mm，其中径向变形为1.88mm，是变形的主要因素。轴向变形最大为0.50mm，叶冠前缘最大周向变形为0.27mm。叶冠的变形主要体现为径向和轴向，而周向变形相对较小，扭转变形不明显。二级叶片变形特点与一级叶片相类似，径向变形为主要因素。由此可见，热载荷主要带来径向变形，对周向变形基本没有影响。

2.2.2 接触状态热载荷对叶冠扭向的影响

接触状态热载荷变形见图5，两型叶片均叶盆朝上。一级叶片叶冠总变形为2.14mm，径向变形为2.12mm，二级叶片叶冠总变形为1.33mm，径向变形为1.16mm。与单个叶片相类似，接触状态时热载荷主要引起径向变形。

图5 热载荷下叶冠接触状态总变形图（单位：mm）

从图5可见，在热载荷的作用下，各叶片在自由和接触状态均呈现了叶片尾缘从叶背向叶盆的扭转，这种扭转使得接触面紧度减少。但各叶片影响大小不同。对于一级-2叶冠在自由状态扭转较大，但接触状态趋势不同，一级叶冠接触面紧度增大，二级叶冠接触面紧度减小。在自由和接触状态条件下，热载荷均对叶冠的扭转影响较小；若有影响，会导致叶冠在尾缘处从叶背向叶盆方向的扭转，这种扭转导致叶冠接触面紧度减少。