付仲議

(1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司 湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)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

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪動(dòng)葉工作狀態(tài)除承受離心拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力作用外，還要受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力來自3個(gè)方面，一是葉片離心力的周向分力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力即離心扭轉(zhuǎn)，二是作用在葉片上的氣動(dòng)力作用中心與葉片剛心不重合產(chǎn)生的氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)，三是由于葉尖和葉根型面安裝角不同引起的扭轉(zhuǎn)，俗稱為自然扭轉(zhuǎn)(實(shí)質(zhì)也是離心扭轉(zhuǎn))[1]。這三種扭轉(zhuǎn)的綜合作用的結(jié)果，使得動(dòng)葉葉冠接觸工作面松緊程度隨工作狀態(tài)的變化而變化，而且隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)而加劇，這不僅會(huì)造成微動(dòng)磨蝕，甚至撞擊，而且改變了葉片的自振頻率，改變了葉片的振動(dòng)特性，嚴(yán)重影響葉片的可靠性和壽命，危及發(fā)動(dòng)機(jī)的安全。

因此有必要研究渦輪葉片葉冠在工作狀態(tài)下，各種載荷對(duì)葉冠變形和扭向的影響，從而評(píng)估渦輪葉片葉冠接觸工作面松緊程度隨工作狀態(tài)的變化，為葉冠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，保證渦輪葉片的安全工作[2]。

本文將針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)和二級(jí)動(dòng)力渦輪葉片葉冠，通過數(shù)值分析方法研究，分別在葉冠自由狀態(tài)和接觸狀態(tài)下離心載荷對(duì)渦輪葉片葉冠變形的影響。

1.計(jì)算模型

一級(jí)葉片葉冠基本尺寸見圖1，最大外徑φ517mm，軸向長(zhǎng)度20mm，葉冠接觸面與x軸夾角60°，葉冠預(yù)扭1.5°。二級(jí)葉片葉冠基本尺寸見圖2，最大外徑φ544mm，軸向長(zhǎng)度20mm，葉冠接觸面與x軸夾角60°，葉冠預(yù)扭1.5°。葉片材料為K480,輪盤材料GH4720，轉(zhuǎn)速為每分鐘17000轉(zhuǎn)。葉片網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，其中葉冠的網(wǎng)格尺寸較小，為0.5mm。

圖1 一級(jí)（左）和二級(jí)（右）葉片葉冠基本結(jié)構(gòu)

2.結(jié)果分析

2.1 離心載荷對(duì)葉冠扭向的影響

2.1.1 自由狀態(tài)離心載荷對(duì)葉冠扭向的影響

一級(jí)和二級(jí)葉片葉冠變形圖（5倍放大圖）見圖2，均為葉盆朝上。

圖2 葉冠自由狀態(tài)總變形圖（單位：mm）

從葉冠扭轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行分析，在離心載荷下，一級(jí)和二級(jí)葉片葉冠均發(fā)生了俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即在尾緣從葉盆扭向葉背。這種扭轉(zhuǎn)會(huì)增加葉冠接觸面之間的緊度。但由于一級(jí)葉片葉盤結(jié)構(gòu)周向和軸向約束面較遠(yuǎn)，因此發(fā)生了更大的向后的軸向位移和向葉背的周向位移。使得扭轉(zhuǎn)角略小，但增加了總位移。

2.1.2 接觸狀態(tài)離心載荷對(duì)葉冠扭向的影響

一級(jí)和二級(jí)葉片葉冠在接觸狀態(tài)下的變形圖（2倍放大圖）見圖3，均為葉盆朝上。

圖3 葉冠接觸狀態(tài)總變形圖（單位：mm）

一級(jí)葉片總變形接觸狀態(tài)為1.48mm，自由狀態(tài)為1.92mm，由于自由狀態(tài)下葉片發(fā)生了較大的周向和軸向位移，葉冠接觸起到了很好的抑制作用。分析周向位移，葉身前緣部分往葉背方向的位移大于尾緣部分，說明發(fā)生了俯視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即在尾緣從葉背扭向葉盆。這種扭轉(zhuǎn)會(huì)減少葉冠接觸面之間的緊度。

分析各葉片，在不考慮接觸時(shí)，葉冠在離心載荷作用下均呈現(xiàn)了俯視逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，而在考慮接觸時(shí)，又呈現(xiàn)了俯視順時(shí)針扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，但扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)減弱。在不考慮接觸時(shí)，二級(jí)葉片葉冠扭轉(zhuǎn)最為嚴(yán)重，而在考慮接觸時(shí)，一級(jí)葉片反扭最為嚴(yán)重。

2.2 熱載荷對(duì)葉冠扭向的影響研究

2.2.1 自由狀態(tài)熱載荷對(duì)葉冠扭向的影響

一級(jí)葉片葉盆朝上，其單個(gè)葉片的計(jì)算模型見圖4，圖中變形為在直角坐標(biāo)系下的5倍放大圖。

一級(jí)葉片總變形為1.89mm，其中徑向變形為1.88mm，是變形的主要因素。軸向變形最大為0.50mm，葉冠前緣最大周向變形為0.27mm。葉冠的變形主要體現(xiàn)為徑向和軸向，而周向變形相對(duì)較小，扭轉(zhuǎn)變形不明顯。二級(jí)葉片變形特點(diǎn)與一級(jí)葉片相類似，徑向變形為主要因素。由此可見，熱載荷主要帶來徑向變形，對(duì)周向變形基本沒有影響。

2.2.2 接觸狀態(tài)熱載荷對(duì)葉冠扭向的影響

接觸狀態(tài)熱載荷變形見圖5，兩型葉片均葉盆朝上。一級(jí)葉片葉冠總變形為2.14mm，徑向變形為2.12mm，二級(jí)葉片葉冠總變形為1.33mm，徑向變形為1.16mm。與單個(gè)葉片相類似，接觸狀態(tài)時(shí)熱載荷主要引起徑向變形。

圖5 熱載荷下葉冠接觸狀態(tài)總變形圖（單位：mm）

從圖5可見，在熱載荷的作用下，各葉片在自由和接觸狀態(tài)均呈現(xiàn)了葉片尾緣從葉背向葉盆的扭轉(zhuǎn)，這種扭轉(zhuǎn)使得接觸面緊度減少。但各葉片影響大小不同。對(duì)于一級(jí)-2葉冠在自由狀態(tài)扭轉(zhuǎn)較大，但接觸狀態(tài)趨勢(shì)不同，一級(jí)葉冠接觸面緊度增大，二級(jí)葉冠接觸面緊度減小。在自由和接觸狀態(tài)條件下，熱載荷均對(duì)葉冠的扭轉(zhuǎn)影響較小；若有影響，會(huì)導(dǎo)致葉冠在尾緣處從葉背向葉盆方向的扭轉(zhuǎn)，這種扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致葉冠接觸面緊度減少。

3.結(jié)語(yǔ)

本文通過數(shù)值模擬研究了離心載荷和熱載荷對(duì)渦輪葉冠變形和扭向的影響，結(jié)論如下。

在不考慮接觸的條件下，離心載荷導(dǎo)致葉冠接觸面緊度增大。而在考慮接觸時(shí)，離心載荷導(dǎo)致葉冠接觸面緊度減小。在沒有預(yù)設(shè)緊度的前提下，離心載荷有可能導(dǎo)致葉冠接觸面松開而不能抵緊。

在自由和接觸狀態(tài)條件下，熱載荷均對(duì)葉冠的扭轉(zhuǎn)影響較小；若有影響，會(huì)導(dǎo)致葉冠在尾緣處從葉背向葉盆方向的扭轉(zhuǎn)，這種扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致葉冠接觸面緊度減少。