羅躍飛， 吳飛， 李冠

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000 )

1 前言

流固耦合是研究流體與固體之間流體動(dòng)力、結(jié)構(gòu)彈性與慣性力之間的耦合作用, 根據(jù)作用機(jī)理分為單向流固耦合和雙向流固耦合。 針對IGV流場特點(diǎn), 本文采用了單向流固耦合方法, 將在流場分析中得到流體壓力作為載荷加載在IGV 葉片中, 以此分析求解IGV 葉片由于流場作用所發(fā)生的形變值和應(yīng)力值等。

2 IGV 流場分析

對IGV 加以流場邊界條件, 氣流從左側(cè)進(jìn)氣,右側(cè)出氣, IGV 葉片在流場中部, 對整個(gè)流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 見圖1, 邊界條件見圖2, 這里的分析是針對60%轉(zhuǎn)速工況。

圖1 IGV 流場網(wǎng)格劃分

圖2 IGV 邊界條件

IGV 葉片和支撐桿材料特性參數(shù)見表1, 根據(jù)《東汽金屬材料手冊》, 其引起0.2%殘余變形的條件屈服強(qiáng)度在20 ℃時(shí)為760 MPa。

表1 IGV 葉片和支撐桿材料參數(shù)

流場求解后, 得到流場流線分布, 見圖3～6。

圖3 流場分析結(jié)果

圖4 IGV 葉片進(jìn)氣側(cè)壓力分布

圖5 IGV 葉片出氣側(cè)壓力分布

圖6 IGV 流場速度分布

從圖中可以看到, 流場和葉片物理分布一致,壓力是呈圓周均勻分布, 此處壓力是相對絕對大氣壓的壓力, 葉片在邊緣處速度大, 壓力高。

3 IGV 強(qiáng)度分析

3.1 IGV 60%工況受力分析

將計(jì)算的流場壓力導(dǎo)入到IGV 結(jié)構(gòu)中（見圖7）, 進(jìn)行靜力分析, 以60%工況下的轉(zhuǎn)速分析計(jì)算說明IGV 結(jié)構(gòu)在流場作用下形變、 應(yīng)力, 支反力和支反力矩的情況, 如圖8～13 和表2 所示。

圖7 流場壓力導(dǎo)入

圖8 IGV 葉片固定

圖9 IGV 葉片整體形變

圖10 IGV 葉片X 方向形變

圖11 IGV 葉片Y 方向形變

圖12 IGV 葉片Z 方向形變

圖13 IGV 葉片Mises 應(yīng)力

表2 IGV 結(jié)構(gòu)流固耦合分析

從圖9～12 和表2 可以看出, IGV 在此工況下, 葉片會(huì)發(fā)生一定形變, 最大整體形變量為0.248 mm, 在進(jìn)氣方向上, 即X 軸形變是其主要形變, 為0.230 mm。 在設(shè)計(jì)IGV 結(jié)構(gòu)和通流設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮IGV 葉片形變可能會(huì)產(chǎn)生的影響。在流場壓力的作用下, 其最大等效應(yīng)力為24 MPa, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于引起0.2%殘余變形的條件屈服強(qiáng)度在20 ℃時(shí)為760 MPa。 因此,葉片在強(qiáng)度上滿足材料要求。

3.2 IGV 不同工況受力分析

為了能得到外接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)（驅(qū)動(dòng)力、 行程等）, 需要計(jì)算在流場作用下各工況IGV葉片支反力和支反力矩。 對整個(gè)11 種工況的IGV結(jié)構(gòu)葉片形變、 應(yīng)力、 支反力和支反力矩進(jìn)行計(jì)算分析, 結(jié)果見圖14～17。

圖14 IGV 葉片整體形變值

圖15 IGV 葉片應(yīng)力值

圖16 IGV 葉片支反力值

圖17 IGV 結(jié)構(gòu)支反力矩值

從圖14～17 可以得到以下結(jié)論：

（1）IGV 整體形變和X 方向形變最大值都發(fā)生在80%轉(zhuǎn)速工況時(shí), 其最大值分別為0.844 mm 和0.730 mm；

（2）IGV 結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值發(fā)生在80%轉(zhuǎn)速工況時(shí), 其值為149.8 MPa, 遠(yuǎn)小于允許屈服強(qiáng)度760 MPa, 因此IGV 葉片材料滿足各工況強(qiáng)度要求；

（3）IGV 結(jié)構(gòu)最大支反合力和最大支反合力矩發(fā)生在80%轉(zhuǎn)速工況時(shí), 其值分別為122.13 N 和16 366 N·mm；

（4）考慮驅(qū)動(dòng)扭矩為繞IGV 支撐桿軸線旋轉(zhuǎn)動(dòng)力, 通過對特定葉片選擇和數(shù)據(jù)處理, 最小驅(qū)動(dòng)扭矩值為1 436 N·mm, 發(fā)生在50%轉(zhuǎn)速工況時(shí)。

4 IGV 驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

在前面得到了IGV 葉片的支反力矩為1 436 N·mm。 由IGV 葉片所處的環(huán)境可知, IGV 葉片轉(zhuǎn)動(dòng)起來須克服流場作用產(chǎn)生的支反力矩和IGV 葉片與缸體摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩,由圖18 計(jì)算如下：

（a）最大支反力矩（50%轉(zhuǎn)速工況）

單支My=1 436 N·mm,

整圈IGV 葉片的支反力矩為M1=30×My=43 N·m

（b）最大摩擦力矩（80%轉(zhuǎn)速工況）

式（1）中0.3 為摩擦系數(shù), 12 為葉片桿半徑,103.61 為80%轉(zhuǎn)速工況的Fx, 64.63 為80%轉(zhuǎn)速工況的Fz。

圖18 IGV 葉片坐標(biāo)系

式（2）中0.6 是葉片質(zhì)量, 8 為80%轉(zhuǎn)速工況下的Fy。

整個(gè)IGV 的摩擦力矩為M2=30× （Mf1+Mf2）=16.7 N·m

得到驅(qū)動(dòng)力矩最小為M總=M1+M2=59.7 N·m。

5 總結(jié)

本文通過對IGV 導(dǎo)葉做流固耦合計(jì)算, 分析認(rèn)為IGV 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求, 并計(jì)算出了IGV 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉整圈總驅(qū)動(dòng)力矩需大于59 N·m, 為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選型提供了依據(jù)。