小型涡轮导向器叶片的流场计算与强度分析

摘要

涡轮叶片是航空发动机的重要零部件，在工作中承受着较大的循环温度载荷、气动载荷和机械载荷等。提高涡轮入口温度是提升发动机推重比和热效率的重要手段，目前燃气温度已经远远超过了涡轮叶片材料的熔点温度。为了保证叶片冷却结构的冷却效果和叶片的工作寿命，必须准确的对叶片进行气热耦合计算和强度分析。随着 CFD技术的迅速发展，数值模拟技术能够准确预测叶片温度载荷和气动载荷，已经成为涡轮叶片设计的重要工具。本文借助气热耦合和热弹耦合计算方法，对涡轮叶片流场特性和结构强度进行研究。
　　对NASA-MarkII导向叶片模型进行气热耦合数值计算和强度分析。叶片表面的转捩流动对传热有较大影响，4种不同湍流模型的计算特点以及对转捩流动的预测能力差异明显。与3种全湍流模型相比，Transition k-kl-?转捩模型对跨声速流动产生的激波具有较强的捕捉能力，对转捩流动中温度场和压力场的计算与实验结果吻合较好。由叶片热应力分析结果可知，涡轮叶片温度场的预测结果对热应力分布影响较为明显。与气动载荷应力相比，热应力是影响叶片强度的主要因素。叶片气热耦合计算误差过大会给叶片结构强度预估带来较大偏差。
　　采用Transition k-kl-?转捩模型，对某导向叶片进行气热耦合流场计算，分析速度场、压力场和温度场等三维流场数据。来流湍流度是影响导向叶片冷却效果的重要因素，来流湍流度影响壁面换热。湍流度的增大会降低叶片冷却效果，在层流区和过渡区表现更为明显。通过分析不同冷却气体流量时的冷却效果可知，提高冷却气体流量，有助于提高冷却效果。
　　应用有限元软件把气热耦合计算所得到的温度载荷和气动载荷加载到叶片表面进行强度计算，并校核叶片的安全系数。计算结果表明，本文对叶片边界约束的改进较为合理，温度载荷对叶片等效应力和总变形量的影响大于气动载荷。应力集中区域出现在叶梢和叶根等部位，该叶片结构设计基本满足强度储备要求。在一定范围内，冷却气体流量的增加，有助于提高叶片安全系数。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 涡轮叶片研究概述

1.3国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 数值模拟基础

2.1流场数值计算

2.2有限元分析

2.3 本章小结

第3章 涡轮叶片气热耦合数值模拟与强度分析

3.1 引言

3.2 几何模型及网格构造

3.3模拟工况及材料参数

3.4流动及传热特性分析

3.5 MarkII型叶片热应力分析

3.6 MarkII型叶片气动载荷应力分析

3.7 本章小结

第4章 导向器叶片气热耦合分析

4.1 引言

4.2 物理模型

4.3 网格构造

4.4 边界条件设置

4.5 气热耦合分析

4.6 来流湍流度对冷却效果的影响

4.7 冷却气体流量对冷却效果的影响

4.8 本章小结

第5章 导向器叶片强度分析

5.1 引言

5.2 载荷分析及边界简化

5.3 边界条件分析

5.4 导向器叶片强度分析

5.5 导向叶片在不同工况下的强度分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢