叶轮设计

涡轮叶轮热-结构耦合分析字体:小中大|打印发表于:2007-11-1116:07作者:loverxz来源:发动机作者：中国北方发动机研究所裴伟张继忠摘要：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[url=http.html]发动机[/url]废气推动涡轮叶轮高速旋转，吸收[url=.html]发动机[/url]排气的能量，同时带动同轴的压气机叶轮，压缩新鲜空气到[url=.html]发动机[/url]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[url=html]发动机[/url]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1TiAl涡轮叶轮材料性能[/url]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2TiAl涡轮叶轮破坏情况图3TiAl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。[/url]图4TiAl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