某型APU涡轮导向器叶片数值模拟分析

《某型APU涡轮导向器叶片数值模拟分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、NumericalSimulationAnalysisofAPUNozzleGuideVane■苏雷张百涛何勇侯廷2／成都航利(集团)实业有限公司摘要：利用ANSYS软件对某型APU；呙轮导r句n-t-片起动一停车循环中不同时刻的温度场和应2J／应变场分布进行计算分析，确定了叶片上失效危险点的位置、危险点的应变随温度变化的过程以及危险点的周期应力／应变范围，为后续修复技术设计和寿命预测奠定了基础。关键词：涡轮导向器叶片：温度场i应力：应变Keywords：guidevane；temperaturefield；stress；strain0引言国外有限元

2、模拟分析技术已被广泛应用于航空发动机零部件设计和修复技术的开发中，通过计算分析确定零部件在工作中的薄弱环节或设计中的欠缺不足，从而有针对性地改进设计，提高零部件的工作可靠性和寿命，节约成本”q】。在国内，有限元计算分析更多的是应用于发动机零部件设计阶段【4q】，在修复中鲜有成功进行有限元计算分析来指导技术开发的实例。在某型飞机辅助动力装置(APU)涡轮导向叶片修理过程中，需要对故障叶片的主要失效模式和失效位置进行验证，同时通过计算得出温度场和应力／应变场分布，由此可以更好地了解叶片的失效过程，为设计合理可行的修理技术提供支持。本文采用热弹耦合模型对涡

3、轮导向器叶片起动一停车过程的瞬时温度场进行分析，得到了相应的应力／应变变化规律，确定了叶片上失效危险点的位置。1材料性能及边界条件APU涡轮导向器虽然没有航空发动机导向器的工作环境苛刻，但也比较46l燃臆熙复杂”“15】。某型APU涡轮导向叶片通过柔性联接形成环状，安装在涡轮转子叶片之前。为适应发动机频繁的起动一停车循环，施加在每个叶片上的机械载荷和约束非常少，承受的主要载荷是热载荷。通过测试获得经过导向器叶片的燃气温度约为1026。C，冷却气温度约为300℃。1．1材料物理性能该导向器叶片的材料为高强度镍基铸造高温合金MAR—M一247，材料的物理

4、性能参数如表1所示，表中空白的数据采用外推法确定。1．2边界条件定义对于涡轮导向叶片在起动阶段的瞬态热分析而言，热边界条件主要是两种气流，即1026℃的高温燃气和300℃的冷却空气与叶片之间的对流换热。本文将初始温度设置为22℃，根据试验数据分别对导向器叶片的4个区域施加不同的对流换热系数，叶盆区域为200．27W／(m2·℃)，叶背区域为100．19w／(m2·℃)，缘板内侧区域为50．14W／(m2．℃)，缘板外侧和冷却通道区域为25．12W／(m2·℃)。在叶片冷却阶段，对实际冷却过程进行了简化，将4个区域表1MAR—M-247的性能参数表10

5、020030040050060070080090010001050制I}_Ill■●■。ZU谲口lH1Ilq3s57H二∽二!161j¨17j二H4lI_删裂422．8427．0431．2438．7447．9458．4470．9485．2502．3523．3533．7四鳓礁la蠹-¨U战h拨m线陀哉陀?kh线h?计}i计}53圜n_r『}叫疆商208．59203．53197．50190．53182．50175．4517127i66．54157．50138．55泔；1(1豇3l：i∽33Hn3()346(J356(}365【)3H【)(13Hq(14I

6、ⅢI)4l70431——8．————均施加50．14W／(m2．℃)的换热系数。由于最大热应力／应变基于最终稳态的温度场和循环过程中出现最大热通量时的温度场，因此不再施加额外的约束。2热弹耦合模型热弹性力学主要研究非均匀温度场产生的弹性范围内的应力和应变，又称热弹性理论。按照热弹性理论，应变是由应力和温度变化引起的。对均匀各向同性材料而言，温度变化只引起正应变，不产生切应变。因此，{￡}=∥}+△T陋aa0o】1(1)其中，{s)为总的应变向量ks，殳岛。￡。％n{s“}为应力引起的应变向量；a为材料的线膨胀系数；A功温度差，△T=-T-Z,o，，丁

7、为当前温度，咒沩参考温度。在弹性力学中，应力一应变的关系可表示为：{盯}=[D]{s“}IzJ式中，旧】为弹性矩阵，它取决于弹性材料的弹性模量和泊松比。【D】黼得：将式(3)代入式(2)后再代入式(1)并展开可厂b2Iq2，￡z2＼Ib。Im=、Ⅶz=一肛(盯y+盯z)]+盯AT—p(盯x+仃z)]+口AT一“(仃y+盯，)】+盯△T(4)式中，E为材料的弹性模量；G为材料的剪切模量，G：击采用记号s!=s净so=a△T，则由式(4)可求解应力为：驴蒜茄‰[(Ex--E0，+击c勺-￡；，+击呜叫日町=蒜品％旷￡o)十l击pCEx--EOx，+亡c如

8、-￡0目吒=揣tF．z--E0，+击c⋯，0H告(Ex--Ex0，，砷2蒜而yx，(5)勺z2i南b：舻j忐