涡轮导向叶片热应力计算
【摘要】某航空发动机在长时间试验中发生了涡轮导向叶片裂纹的故障。本文利用数值方法分析了叶片裂纹位置的应力，开展了对涡轮导向叶片和燃气的流固耦合计算，最终得到了叶片的热应力分布情况。计算结果表明叶片的裂纹是由于局部热应力过高引起的。
【关键词】涡轮导向叶片；流固耦合；热应力；航空发动机
1.引言
某型发动机在工厂进行完长时间试验后，发动机分解检查时发现部分涡轮导向叶片有裂纹。裂纹位于排气边中部，并基本垂直于排气边。
本文使用CFX软件计算燃气的流场，然后将流场计算得到的温度场结果导入ANSYS中进行耦合计算，最终得到叶片的热应力分布情况。
2.导向叶片结构
导向叶片结构如图1所示。叶片从上到下可划分为挂钩、上缘板、叶身、下缘板、凸边五个部分。叶片上缘板上的两个挂钩挂在涡轮机匣内壁的环槽内限制导向叶片的径向位置。叶片下缘板的两条凸边共同组成一个圆锥面和一个环面，与内机匣配合。
导向叶片是空心的，但孔的下端焊接封闭，只起保持等壁厚、减重和减少热应力的作用。涡轮导向叶片上下缘板内表面构成燃气通道。
导向叶片的应力来源主要有如下三方面：
（1）导向叶片在工作过程中承受着温度场引起的热应力。在工作过程中，冷却气流冷却叶片外缘板，燃气在径向方向温度变化也很大。所以叶片存在着一个温度场，承受着因温度不均所产生的热应力。
（2）导向叶片在工作过程中承受着气动载荷。由于高温高压燃气流经导向叶片，使导向叶片承受着燃气所致的气动载荷。
（3）导向叶片还可能受到机匣与内机匣的配合影响。叶片与机匣、内机匣之间的配合关系也能够改变叶片的应力场。
在以上三种载荷中，热应力是涡轮导向叶片设计中主要考虑的。由此可以拟定导向叶片应力场分析的步骤。首先计算流场，分析涡轮导向器内部的气动与传热情况。然后进行流固耦合计算，将叶片温度场导入应力计算中，得到叶片的热应力分布情况。
3.建立模型
对叶片和燃气建立模型，并进行结构化网格划分，图2为最终得到的数值模型。数值模型共有单元10744个，节点8723个。
4.流场计算
4.1边界条件
采用流场计算软件ANSYS CFX进行流场的计算分析，图3为ANSYS CFX界面下的计算模型。
在叶片的挂钩上表面与凸边下表面设置温度边界条件，模拟叶片与机匣、内机匣之间的传热关系。燃气入口设置流量条件和总温条件，燃气出口设置静压条件。
燃气温度沿径向的分布情况，基本决定了叶片的温度场，是影响叶片应力的主要因素之一。因此燃气进口温度分布拟合是否能够符合导向叶片的实际工作情况，是研究工作的基础。由于没有涡轮导向器二级入口的流场实测数据，因此利用原型机的燃烧室出口温度分布进行拟合。该发动机在设计上燃烧室出口温度比原型机高95K，因此计算时在原型机出口温度分布上提高95K作为该发动机起飞状态下燃烧室出口温度分布。依据气动验算报告，发动机涡轮导向器二级进口温度比燃烧室出口温度低133K。综上两点可以认为在原型机燃烧室出口温度分布基础上降低38K，即可作为涡轮导向器二级燃气进口温度分布。在10组数据中选择与平均温度方差最大的一组，作为燃气的进口温度。
4.2计算结果
通过流场计算可以得到叶片的温度分布如图4所示。由图中可以看出叶身温度分布规律：在径向方向，叶身中部温度较高，两侧温度逐渐降低；在轴向方向，进气边温度稍高，进气边最高温度1114K，排气边最高温度1084K。另外考查叶片表面气动载荷分布规律，发现叶片表面受气动力载荷最高仅0.2MPa。因此，气动载荷不会对叶片应力场产生显著影响。
5.热应力计算
叶片上与其它部件配合的位置可分为轴向、周向、径向三类。其中，在气动载荷作用下，叶片上缘板末端向后与定距环轴向配合，上缘板侧面沿逆时针方向与定位槽周向配合，上缘板上的两个挂钩与涡轮机匣内壁的环槽配合。在叶片上缘板末端设置轴向约束，模拟叶片与定距环的配合情况；在叶片的上缘板侧面设置周向约束，模拟叶片与定位槽的配合情况；在叶片的挂钩上表面设置约束，模拟叶片与机匣的配合情况。
将叶片的温度场导入ANSYS进行热应力计算。图5与图6分别为叶片的等效应力场与径向应力场。
6.结论
在叶片温度较高的部分中，排气边中部应力最大，与裂纹位置相符。并且此处的应力主要是沿径向方向的热应力，与裂纹方向相符。因此可以认为计算可靠，叶片的裂纹是由于热应力过高引起的。
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