渦輪葉片葉根倒圓方式對應(yīng)力影響探討

孫 凱 白忠愷

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

0.引言

渦輪工作葉片是航空發(fā)動機(jī)中的核心部件，由于工作環(huán)境非常惡劣，且在發(fā)動機(jī)中承受著很大的載荷，是航空發(fā)動機(jī)中經(jīng)常容易出現(xiàn)故障的零件之一，在工作中其主要的失效模式有葉身裂紋、折斷、蠕變伸長、葉尖磨損等[1-2]，發(fā)生故障的頻率也非常高[3]。渦輪葉片失效主要是由于葉片局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的，應(yīng)力集中也是影響疲勞強(qiáng)度最主要的因素[4-5]，因此，在設(shè)計(jì)中盡量地減緩局部應(yīng)力，是提高零部件壽命的一項(xiàng)重要措施。

葉片根部是渦輪工作葉片容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置之一，而通過倒圓減小零件局部的應(yīng)力是最常見的一種方式，因此，在渦輪工作葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般在葉片葉根處通過圓角實(shí)現(xiàn)葉片與流道的過渡，這樣可以顯著改善葉根處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高渦輪葉片的疲勞壽命。高麗敏等人研究了葉尖單側(cè)倒圓對擴(kuò)壓葉珊葉頂間隙流動的影響[6]；劉鳴飛等人研究了端壁倒圓對小葉高葉珊氣動特性的影響[7]；但葉片根部倒圓方式對葉片應(yīng)力的影響目前暫無相關(guān)研究。

本文基于一款某型發(fā)動機(jī)，對整體渦輪葉片盤葉根處的倒圓方式對渦輪工作葉片的應(yīng)力影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，不同的倒圓方式對葉片的應(yīng)力影響不同，采用不對稱的倒圓方式相比與普通的對稱倒圓方式可以顯著減小渦輪葉片葉根處的應(yīng)力。

1.葉片圓角的結(jié)構(gòu)形式

針對該發(fā)動機(jī)的整體葉片盤，本文設(shè)計(jì)了3 種類型的葉片葉根倒圓方式，圖1 所示為本文探討的三類圓角示意圖。如圖1 所示，本文研究的倒圓形式包括對稱圓角（及常見的普通圓角）、非對稱圓角和倒角+圓角組合的3 種方式。

圖1 葉根圓角的結(jié)構(gòu)形式

第一類圓角結(jié)構(gòu)尺寸由倒圓半徑R決定，倒圓半徑越大，倒圓過渡越光滑；第二類倒圓半徑由倒圓兩相鄰面的尺寸A和H決定，A與H的比例即決定了倒角θ的大小，因此，可以用θ的大小表示非對稱圓角的結(jié)構(gòu)尺寸；第三類圓角結(jié)構(gòu)尺寸由倒角θ的大小和倒角與兩相鄰面的倒圓Rs兩個(gè)參數(shù)決定，通過控制θ和Rs的大小控制倒圓的尺寸。

2.圓角類型對整體葉片盤葉根應(yīng)力影響研究

2.1 渦輪工作葉片有限元模型的建立

本文選取某型發(fā)動機(jī)的整體渦輪葉片盤作為計(jì)算模型（見圖2），采用三維建模軟件UG 建立計(jì)算實(shí)體模型，采用ANSYS 進(jìn)行仿真模型有限元前后處理和有限元結(jié)果計(jì)算。

圖2 渦輪葉片盤結(jié)構(gòu)和有限元模型

該款發(fā)動機(jī)整體渦輪葉片盤上均布47 片大小形狀相同的葉片，在結(jié)構(gòu)及載荷分布上均具有循環(huán)對稱性，計(jì)算時(shí)選取包含一個(gè)完整葉片在內(nèi)的整個(gè)葉片盤的1/47 循環(huán)對稱段建立計(jì)算模型。采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，整個(gè)計(jì)算模型共有73694 個(gè)單元，112502 個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體的有限元模型如圖2 所示。

針對該整體葉片盤計(jì)算模型，本文在模型尺寸的限制條件下，對第一種類型的圓角設(shè)計(jì)了3 種倒圓半徑，第二種類型的圓角設(shè)計(jì)了7 種尺寸倒圓半徑，第三類圓角中設(shè)計(jì)了3種倒圓半徑。3 種類型的倒圓具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1 所示。

表1 渦輪葉片三類倒圓結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 材料參數(shù)及邊界條件

整體葉片盤材料為K418B，通過鑄造成型。渦輪整體葉片盤前端與渦輪軸通過焊接的形式連接在一起，后端連接有軸承。因此在模型中約束了如圖2 所示A 面部分節(jié)點(diǎn)的軸向和周向位移，并在渦輪葉片盤兩切割面施加了循環(huán)對稱約束。

2.3 葉片載荷

渦輪葉片在工作時(shí)，主要承受由于高速旋轉(zhuǎn)的離心力載荷、氣動力載荷、高溫燃?xì)鈳淼臏囟容d荷、振動力載荷等，本文僅研究葉根倒圓方式對應(yīng)力的影響,根據(jù)需要可以對載荷進(jìn)行適當(dāng)簡化，故本文僅考慮離心力載荷和溫度載荷。離心載荷以轉(zhuǎn)速的形式施加，考慮最大工作轉(zhuǎn)速下的離心載荷，而溫度載荷以節(jié)點(diǎn)溫度的形式施加。

3.葉根圓角應(yīng)力集中的計(jì)算結(jié)果對比分析

分別對三類不同尺寸的葉根圓角模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同類型的圓角尺寸對葉根應(yīng)力影響的變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 3種不同類型倒圓方式的圓角尺寸對葉根應(yīng)力影響

從圖3 可以看出，對于第一類圓角，葉根處應(yīng)力隨著圓角半徑的增大而明顯減小，這與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一致，采用越大半徑的圓角，過渡越平緩，對減小應(yīng)力集中越有效；對于第二類不對稱圓角，當(dāng)圓角尺寸A/H變化時(shí)，θ角從71.57°變化到18.26°，呈現(xiàn)出隨著角度的減小，應(yīng)力先增大后減小的趨勢，當(dāng)θ取45°時(shí)，其結(jié)果與第一類圓角中尺寸二的結(jié)果一致，并且，于70°附近取得最小值，于30°附近取得峰值，說明在空間尺寸允許的情況下，將θ角設(shè)定在70°附近可以獲得較好的應(yīng)力結(jié)果；對于第三類圓角，在流道方向上的尺寸不變的情況下，角度為15°～45°時(shí)，葉根處的應(yīng)力隨著倒角角度的增大而有所增大，該類圓角在45°角范圍內(nèi)呈現(xiàn)除應(yīng)力總體緩慢增加的趨勢，45°角處出現(xiàn)應(yīng)力峰值可能與該葉片模型中上部倒圓半徑為0 有關(guān)，該處由于模型尺寸限制，建模軟件中無法進(jìn)行有效倒圓，該模型的特殊性導(dǎo)致了峰值對應(yīng)的角度有所變化。

從上述仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，第二類不對稱圓角在取θ大于45°時(shí)，葉根處應(yīng)力顯著小于第一類圓角和第三類圓角，對葉片葉根處的應(yīng)力集中可以起到極其有效的緩解效果。

4.結(jié)論

本文基于一款發(fā)動機(jī)的整體渦輪葉片盤，通過仿真的方法在理論上研究了3 種不同類型的倒圓方式對葉片葉根處應(yīng)力的影響。通過葉根處圓角的應(yīng)力變化規(guī)律，可以得到如下結(jié)論。

（1）對于第一類圓角，適當(dāng)增大葉根處的圓角半徑，可以有效降低葉根圓角處的應(yīng)力集中；對第二類圓角，隨著A/H越小，即θ角度增大，葉片葉根處應(yīng)力先增大后顯著減小，并于30°角取得峰值，70°角附近取得最小值；對于第三類圓角，變化趨勢與第二類圓角相同，即隨著θ角度增大，葉根應(yīng)力先增大后減小，并且第二類圓角對角度的敏感程度強(qiáng)于第三類圓角。

（2）在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，葉根與流道的過渡區(qū)域采用不對稱的第二類倒圓方式相比于對稱倒圓和倒圓+倒角組合的倒圓方式，可以更有利于減小應(yīng)力集中。

（3)在工程實(shí)際中，由于第一類葉根圓角較第二類葉根圓角和第三類葉根圓角的加工難度小而被廣泛使用，但是在某些應(yīng)力水平高，且存在較大應(yīng)力集中的葉片葉根處建議選用第二類葉根圓角。