涡轮叶轮热-结构耦合分析 - 文章

涡轮叶轮热-结构耦合分析

作者：中国北方发动机研究所裴伟张继忠

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摘要：本文采用热－结构耦合分析方法，分析涡轮叶轮采用轻质材料－钛铝合金后，在高排温、高转速下的应力情况。并将分析结果与试验测试结果进行对比，分析涡轮叶轮破坏的原因，并验证计算方法。
关键词：叶轮，热－结构耦合分析，钛铝合金

1 前言

增压器的工作原理是，通过发动机废气推动涡轮叶轮高速旋转，吸收发动机排气的能量，同时带动同轴的压气机叶轮，压缩新鲜空气到发动机气缸内，起到增压的目的。涡轮叶轮不仅承受着高转速所带来的离心力作用，还要面对发动机所排出的700℃左右的高温，因此涡轮叶轮的可靠性就显得尤为重要。一般的涡轮叶轮采用镍基高温耐热合金材料，有良好的高温机械性能，但由于其密度大，直接影响增压器的加速性。采用轻质材料可以大幅度提高增压器瞬态响应性，但材料的高温特性还需要进一步验证。

本文讨论涡轮叶轮采用钛铝合金后，针对试验前期的强度计算、试验结果分析以及试验后再进行的强度验算等情况的变化，进行了分析和总结，同时根据分析结果修改了叶轮设计过程的强度计算方法，进一步提高了设计准确度。

2 涡轮叶轮结构、材料特性和计算边界条件

本文研究的涡轮叶轮为向心混流式叶轮，叶轮最大直径为136.2mm，叶片由12 片组成，整个叶轮重量在采用了钛铝合金材料后，由原来的2.4 公斤减为1.15 公斤。该材料密度为3.9g/cm3，常温下屈服强度σp0.2＝452MPa，抗拉强度σb＝533Mpa，随温度变化趋势图见图1，材料性能如表1 所示。

图1 钛铝材料抗拉强度、屈服强度趋势图

表1 TiAl 涡轮叶轮材料性能

为了降低计算规模，根据涡轮叶轮旋转对称结构的特点，在计算过程中取叶轮的1/12 模型，设置周期性边界进行计算、分析。网格选用8 节点六面体实体单元SOLID45，在叶片的圆角处进行了网格细化，同时根据实际情况定义了位移约束。

3 试验结果分析

涡轮叶轮采用钛铝合金材料后，为验证其可靠性，进行了超速破坏试验，当增压器转速达到90000 转/分钟后，涡轮叶轮发生断裂，如图2 所示。经初步分析，叶轮可能是从轮背与轴的交界处开始断裂的，断裂位置如图3 所示。

图2 TiAl 涡轮叶轮破坏情况图3 TiAl 涡轮叶轮断裂位置

试验结果和前期设计过程中叶轮静强度计算结果对比发现，叶片最大应力集中的区域，并不在试验样件断裂的位置，最大应力集中区域为图4 标识区域中叶片根部，为605.259MPa，实际断裂位置为470.962MPa。因此，实际断裂位置未达到抗拉强度σb≥533MPa，但最大应力区叶片根部超过了抗拉强度。而在前期进行的强度计算，只考虑了离心力作用，但在实际情况中，涡轮叶轮不仅只受到离心载荷的作用，温度对其也存在着一定的影响，尤其叶轮轮背转轴端由于冷却而造成的温差，直接影响到叶轮载荷分布。为进一步分析其断裂原因，我们利用ansys 软件对该叶轮进行了进一步计算、分析，分别从热、结构以及二者的耦合角度进行计算，以期达到试验结果。

图4 TiAl 涡轮叶轮静强度分析

4 涡轮叶轮热－结构耦合计算分析

4.1 热应力计算分析

根据试验测试结果，分别在叶轮进口施加了654℃的热载荷，叶轮出口施加428℃的热载荷，由于冷却，在轮背轴端部的温度仅为150℃，其它由于气动产生温差和散热暂不考虑，我们进行了计算，应力情况如图5 所示。

图5 热应力计算结果云图

由图可知，最大热应力集中区域为图5 标识区域，为246.555MPa。因为此处温差最大，是由于温度场分布不均而产生了热应力。说明温度场分布不均会在叶轮本体产生很大的热应力，热应力大小和叶轮本身结构没有关系，但和温度分布有关系。

4.2 热－结构顺序耦合分析

根据上面的分析，对涡轮叶轮进行强度分析时，如果只施加离心载荷，不能正确的模拟涡轮叶轮在实际工况下的受力情况，我们采用顺序耦合的方法，分别在涡轮叶轮施加热载荷和离心载荷，进行叶轮强度的计算。首先根据热分析计算结果，将叶轮温度场作为体载荷施加在涡轮叶轮上，然后对涡轮叶轮绕转轴施加90000 转/分钟角速度，使之产生离心载荷，将两个载荷耦合进行计算，结果分析如图6 所示。

图6 热－结构耦合分析结果云图

由图可知，最大应力集中区域为图6 标识区域，为691.691MPa，已经大大超过了700℃抗拉强度σb＝588MPa，最大应力集中区域为两处，一处为叶片根部，一处为轮毂轴端处。由热应力分析和静强度分析结果可知，由于温度变化的影响，叶轮的载荷分布会发生很大的变化，在超速破坏试验中，叶轮会很有可能从应力最大的部位开始发生断裂。

5 结论

根据上述计算和试验结果的对比、分析，我们可以发现，在进行涡轮叶轮结构强度计算时，如果单纯的考虑离心力作用，计算结果和试验会有较大的出入，这给设计带来较大的误差。由于温度场的分布不均，会对涡轮叶轮产生很大的热应力，在计算时已无法忽略。

在本文的计算中，施加的温度边界条件，只是通过温度测量的平均值而给出的，并不十分精确，在进行了热载荷和离心载荷二者的耦合计算后，虽然计算结果值偏大，但已经能够较为准确的计算出涡轮叶轮可能发生断裂的位置，有助于进行工程分析。如果通过三维流场计算，能够较准确地计算出涡轮叶轮内部温度分布，同时还可以将气体压力的影响考虑进去，再进行耦合计算，会更加接近真实的情况，进一步提高设计精度。

超速破坏试验是在增压器试验台架上进行的，试验台燃烧室会给涡轮叶轮提供稳定燃气气流。而增压器在发动机上工作时，随着发动机转速的不断变化，其排气是非稳态的，涡轮叶轮会受到高温、高压气体的脉动冲击，振动会对涡轮叶轮造成极大的破坏。因此，在进行实际工作状态下的涡轮叶轮可靠性计算时，振动也是一个至关重要的影响因素。

[参考文献]
[1] 朱大鑫，涡轮增压与涡轮增压器，机械工业出版社，1992
[2] 杨策、施新，径流式叶轮机械理论及设计，国防工业出版社,2004.10
[3] 王勖成，邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，清华大学出版社，1997.3(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/18/2007)


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