发动机涡轮机匣故障的计算分析

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摘要 某发动机涡轮机匣的定位槽在使用中出现了裂纹，造成机匣整体报废。为找到裂纹的原因和有效的解决方法，开展涡轮流场的计算分析，在此基础上计算涡轮机匣的应力分布。计算结果证明热应力是裂纹的主要原因，为该涡轮机匣的改进提供了参考。

关键词 涡轮机匣；流场；热应力

中图分类号V23 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）80-0034-02

0 引言

发动机涡轮机匣通常是圆柱形或圆锥形的薄壁壳体，除了起到固定导向叶片的作用外，还用于传递相邻部件的负荷，是发动机承力系统的重要构件。

在涡轮机匣的实际工作中，内部有高温燃气通过，容易使机匣刚性不够，出现足够大的变形而产生碰磨，导致转子叶片折断，为了解决变形大的问题，机匣的制造工艺开始转变为锻造式整体结构，同时对机匣通冷却气流进行冷却[1]。然而，在锻造式整体结构的机匣中，局部经常产生裂纹造成整件机匣报废，为解决裂纹问题，一般通过工作状态的数值模拟计算，找出导致裂纹的主要原因，在局部进行针对性的结构改进以解决故障。

本文研究的涡轮机匣在内壁带有环槽，各有23个定位导向叶片和非定位导向叶片沿周向相间挂在内壁的环槽上，同时定位导向叶片的缘板卡在机匣定位槽内固定周向位置。该发动机大修经常出现涡轮机匣定位槽根部裂纹，造成多件机匣报废。涡轮整体为循环对称结构，图1为1/23涡轮结构的几何模型和裂纹的产生位置。

为了明确该涡轮机匣定位槽裂纹故障的产生机理，找出导致裂纹的主要原因，开展了本文的计算分析工作。

1 模拟计算

本文研究的涡轮机匣定位槽在实际工作中主要有热载荷和导向叶片的气动载荷起到主要作用。由于热载荷的存在，使涡轮机匣承受着因温度不均所产生的热应力；由于导向叶片的气动载荷，使定位槽承受着导向叶片沿周向的挤压力。通过两种载荷作用下的定位槽应力场对比，即可得到对裂纹部位起主导作用的载荷。

1.1 流场计算

目前在计算热应力的方法中，少数采用数值估算得到温度场[2]，大多数在有限元模型中将已知的温度点作为边界条件，通过定义材料的热导率直接计算温度场[3]，这些传统方法得到的温度场精度很低。本文在流场处理软件ANSYS CFX中对涡轮部件进行流场分析，通过流场分析得到涡轮温度场，在ANSYS中完成热应力的计算，这比传统方法得到的温度场精度要高，温度应力也更为准确。

在流场计算过程中，基于发动机涡轮部件实际稳态工作时的参数，设定流场计算需要的边界条件，完成涡轮部件冷却气流域和主燃气流域的流场计算[4-6]，为涡轮机匣应力场的计算准备条件。

1.2 应力场计算

仍选取1/23涡轮机匣作为应力场计算的有限元模型 [7]，从流场分析中提取涡轮机匣的温度场作为热载荷，计算得到定位槽的热应力分布如图2，可见最大应力点和实际起裂点位置一致，最大等效应力值达到582MPa，超过材料在该温度下的屈服极限，说明热应力是导致裂纹的主要原因。

选用图3所示的有限元模型计算定位槽在导向叶片气动载荷作用下的应力分布，由于非定位导向叶片和定位导向叶片的叶身形状完全相同，并且非定位导向叶片的气动力通过定位导向叶片传递至定位槽上，所以在计算时将定位导向叶片叶身的气动力分量加倍，以考虑非定位导向叶片的影响。计算得到定位槽此时的应力分布如图4，可见最大等效应力只有36.1MPa，且不在起裂部位，起裂部位的等效应力只有24.5MPa，远远低于热应力水平。

1.3 故障分析

涡轮机匣展开的流场计算和应力场计算结果显示，在稳态工作时，导向叶片由于气动力作用对定位槽的挤压力很小，而涡轮机匣的热应力水平已超过机匣材料在工作温度下的屈服极限，并且热应力的最大等效应力点和实际涡轮机匣工作中的起裂点位置一致，充分说明热应力是导致裂纹的主要载荷。

由于热应力由材料的温度梯度引起，为此，改进措施应注重减小涡轮机匣定位槽处的温度梯度。定位槽的温度梯度明显来源于主燃气流域和冷却气流域的温差，因此可以考虑在定位槽表面喷涂隔热涂层，降低高温燃气的冲击，以达到减小温度梯度的目的。

2 结论

本文针对某发动机涡轮机匣定位槽在使用过程中的裂纹故障，开展了工作状态的模拟计算与分析，得到如下结论：

1）涡轮机匣定位槽的裂纹产生部位承受的主要载荷为热载荷，气动载荷的作用效果相比于热载荷来讲很小；

2）针对热应力为主的裂纹，可以在定位槽表面喷涂隔热涂层，降低高温燃气的冲击，改善热应力情况。

参考文献

[1]刘长福.航空发动机构造[M].国防工业出版社，1980.

[2]王旭，王式安，张文平，潘宏伟.燃气轮机涡轮后机匣温度场及应力分析[J].热能动力工程，2004，19（6）：558-560.

[3]刘星，李克安，唐驾时，温纪云.重型燃气涡轮铸造机匣的强度与刚度分析[J].汽轮机技术，2011，53（2）：86-88.

[4]史妍妍，孙志礼.附件机匣稳态热分析方法研究[J].机械设计，2009，26（6）：22-25.

[5]胡友安，李晓东，陈图钧.涡壳温度场和热应力的有限元分析[J].机械强度，2007，29（1）：130-134.

[6]苏鹏飞，贾文，艾松.大型燃气轮机透平第一级静叶表面温度分布的计算方法[J].东方汽轮机，2010，2：44-48.

[7]周传月.燃气轮机转子动力特性分析的旋转对称有限元模型[J].航空动力学报，1999，14（2）：175-178.