曹惠玲 張昊

摘要：基于CFM56-7B發(fā)動機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的QAR數(shù)據(jù)，通過建立模型、確立邊界條件、有限元軟件仿真，在最大起飛功率狀態(tài)下完成了高壓渦輪葉片溫度場以及應(yīng)力、應(yīng)變場的計算。考慮到實際葉片在多軸非比例循環(huán)載荷下工作，選用SWT模型作為疲勞壽命的預(yù)測模型，得到葉片的疲勞壽命。結(jié)果表明，仿真計算得到的葉片疲勞壽命為14778個循環(huán)，與實際葉片的平均壽命的誤差率僅為5.09%，此方法可用于監(jiān)控渦輪葉片的剩余壽命、維修計劃的制定。

關(guān)鍵詞：QAR數(shù)據(jù)；高壓渦輪葉片；有限元；SWT模型；疲勞壽命

Keywords：QAR data；high pressure turbine blade；finite element；SWT model；fatigue life

0 引言

高壓渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)里最重要的部件之一，其工作環(huán)境極其惡劣，一方面承受著高溫、高壓燃?xì)獾淖饔?，另一方面受到振動等多種載荷的作用。根據(jù)航空工業(yè)集團(tuán)失效分析中心發(fā)布的資料[1]顯示，2001年到2012年期間共處理97件有關(guān)渦輪葉片的失效故障，占整個失效故障分析工作的1/10左右，且據(jù)實際統(tǒng)計，在由發(fā)動機(jī)導(dǎo)致的飛行事故中渦輪葉片失效占比達(dá)70%以上[2]，因此進(jìn)行高壓渦輪葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及壽命預(yù)測具有重要意義。

快速存取記錄器（QAR）記錄了發(fā)動機(jī)從啟動到停車過程的大量氣動站位參數(shù)，這些參數(shù)真實地反映了發(fā)動機(jī)實際的運(yùn)行工況，因此將QAR數(shù)據(jù)應(yīng)用到高壓渦輪葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和壽命預(yù)測中能夠得到更加精確的結(jié)果。以國內(nèi)某航空公司某航班CFM56-7B發(fā)動機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的QAR數(shù)據(jù)為例，通過飛行高度、高壓渦輪轉(zhuǎn)速、EGT（發(fā)動機(jī)排氣溫度）以及燃油流量篩選出起飛最大功率狀態(tài)，該狀態(tài)下高壓渦輪轉(zhuǎn)速高達(dá) 97.6%，EGT達(dá)到804℃，燃油流量達(dá)到3607kg/h，對比其他工況，該狀態(tài)下的葉片承受著更高的溫度以及離心力作用，因此以此狀態(tài)作為高壓渦輪葉片壽命計算的工況。在起飛最大功率狀態(tài)下，利用QAR記錄的高壓壓氣機(jī)進(jìn)出口總溫、EGT、低壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓等參數(shù)，結(jié)合熱力計算可得到用于葉片壽命預(yù)測的邊界條件。

本文利用有限元仿真計算的方法，通過建立模型和計算邊界條件，使用Fluent軟件求解燃?xì)饬鲌鲆约癆nsys軟件進(jìn)行熱分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得到葉片的溫度、應(yīng)力應(yīng)變分布，綜合考慮對葉片影響較大的疲勞損傷，最終計算得到葉片的疲勞壽命。

1 有限元仿真計算

1.1 模型的建立

三維建模是有限元數(shù)值仿真的基礎(chǔ)，精確的幾何模型能夠極大地提高有限元仿真的精度，本文針對CFM56-7B高壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)，參照航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊—渦輪分冊[3]，通過實體結(jié)構(gòu)的測量，利用UG完成了三維模型的建立，具體模型如圖1、圖2所示。根據(jù)建立的高壓渦輪葉片模型，選取中截面葉型、葉片高度、葉柵柵距等參數(shù)建立圖3所示簡化的光滑葉片葉柵通道模型。利用ICEM CFD完成模型的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，葉片模型的網(wǎng)格數(shù)為35萬，葉柵通道的網(wǎng)格數(shù)為196萬，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.2以上且進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

1.2 邊界條件的計算

QAR記錄的參數(shù)包括高壓壓氣機(jī)進(jìn)出口總溫和、EGT、低壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓、燃油流量以及油氣比f，這些參數(shù)在起飛最大功率狀態(tài)下的數(shù)值如表1所示。在進(jìn)行有限元仿真計算的過程中需要首先確定高壓壓氣機(jī)出口的總溫、高壓渦輪進(jìn)口的總溫、總壓以及高壓渦輪出口的總溫、靜壓。高壓壓氣機(jī)出口的總溫可由QAR數(shù)據(jù)直接獲取，高壓渦輪進(jìn)出口的溫度、壓力可通過表1所給出的QAR數(shù)據(jù)結(jié)合熱力計算的方式得到，具體計算方法參見文獻(xiàn)[4]。根據(jù)計算結(jié)果可得到有限元仿真計算所需要的邊界參數(shù)，具體數(shù)值如表2所示。

CFM56-7B高壓渦輪葉片由高壓壓氣機(jī)排氣進(jìn)行冷卻，高壓壓氣機(jī)排氣從葉根進(jìn)入葉片內(nèi)部的冷卻通道，首先對轉(zhuǎn)子葉片的根部進(jìn)行冷卻，然后氣流在葉片的各冷卻腔室內(nèi)迂回流動，對葉片進(jìn)行充分的冷卻，最后冷卻氣體從葉片表面的氣膜孔以及尾緣劈縫流出，在葉片表面形成氣膜，隔絕高溫燃?xì)馀c高壓渦輪葉片。為表征冷卻氣體與葉片的對流換熱情況，引入對流換熱系數(shù)，冷卻氣體與葉片的平均對流換熱系數(shù)取29124W/K·m2。

1.3 仿真計算結(jié)果

根據(jù)得到的有限元模型以及邊界條件，將其導(dǎo)入Fluent中完成流場的計算，采用壓力進(jìn)口、壓力出口邊界條件，選取k-SST湍流計算模型。為了使計算更加符合實際情況，考慮渦輪進(jìn)口溫度的不均勻性[5]，取進(jìn)口溫度沿徑向按拋物線分布，并編制UDF導(dǎo)入Fluent進(jìn)行求解計算，圖4為溫度不均勻時流場進(jìn)口溫度的分布。

將Fluent計算得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys中進(jìn)行熱固耦合的計算，葉片材料為定向凝固高溫鎳基合金DZ125，在熱分析模塊中完成溫度場的計算；考慮離心載荷的影響，在結(jié)構(gòu)分析模塊中進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變的計算。仿真流程如圖5所示。

通過仿真計算得到高壓渦輪葉片在起飛最大功率狀態(tài)下的溫度場以及應(yīng)力、應(yīng)變場，具體如圖6至圖8所示。

根據(jù)葉片溫度、應(yīng)力應(yīng)變的計算結(jié)果可以看出，在冷卻通道穿過的區(qū)域以及氣膜孔、尾緣劈縫處的溫度明顯更低，且葉片前緣溫度明顯高于尾緣，由于冷卻通道是從葉根區(qū)域穿入，葉片溫度的最大值出現(xiàn)在葉頂區(qū)域。葉片應(yīng)力、應(yīng)變值沿葉高逐漸升高，這是因為葉片在高速轉(zhuǎn)動過程中，葉身部分產(chǎn)生的離心力完全作用在葉根區(qū)域，導(dǎo)致葉根區(qū)域應(yīng)力、應(yīng)變值較大，而葉根區(qū)域氣膜孔處由于應(yīng)力集中導(dǎo)致葉片的最大應(yīng)力出現(xiàn)在該處。

2 疲勞壽命預(yù)測

根據(jù)得到的葉片溫度、應(yīng)力應(yīng)變的計算結(jié)果，在Ansys結(jié)構(gòu)分析模塊中插入疲勞壽命預(yù)測模塊，并選擇SWT模型，得到圖9所示的葉片疲勞壽命分布云圖。

由圖9可以看出，葉片疲勞壽命的最小值出現(xiàn)在靠近葉根的氣膜孔處，與葉片等效應(yīng)力的最大點為同一點，其值為14778循環(huán)。根據(jù)實際的外場統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，該型發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片平均壽命為14062循環(huán)[7]，預(yù)測的壽命值與實際的葉片壽命比較接近，這表明真實QAR數(shù)據(jù)與有限元仿真相結(jié)合計算得到的預(yù)測壽命是吻合的。

3 結(jié)論

本文基于發(fā)動機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的QAR數(shù)據(jù)，選取起飛最大功率狀態(tài)，利用有限元仿真的方法完成了高壓渦輪葉片流場、溫度場以及應(yīng)力應(yīng)變場的計算，根據(jù)得到的計算結(jié)果完成了疲勞壽命的預(yù)測。仿真計算得到的葉片疲勞壽命為14778循環(huán)，而葉片的實際平均壽命為14062循環(huán)，誤差率僅為5.09%，通過誤差分析驗證了該方法的可行性，該方法可作為高壓渦輪葉片疲勞壽命預(yù)測的一種工程計算方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬楠楠，陶春虎，何玉懷，等.航空發(fā)動機(jī)葉片多軸疲勞試驗研究進(jìn)展[J].航空材料學(xué)報，2012，32（6）：44-49.

[2] 蘇清友. 航空渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)主要零部件定壽指南[M].北京：航空工業(yè)版社，2004.

[3] 航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊總編委會.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊：第10冊 渦輪[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

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[6]《中國航空材料手冊》編輯委員會. 中國航空材料手冊[M]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[7] 袁鍇，左洪福，孫見忠.基于統(tǒng)計方法的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片壽命分析[J].飛機(jī)設(shè)計，2015，35（2）：31-36.