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1、航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟摘要压气机是为航空发动机提供需要压缩空气的关键部分，由转子和静子等组成，其中转子叶片是完成该功能的核心零件，在能量转换方面起着至关重要的作用。叶片工作的环境比较恶劣，除了承受高转速下的气动力、离心力和高振动负荷外，还要承受热应力，所以在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，转子叶片强度的高低直接影响发动机的运行可靠性，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。由进气道、转子、静子等组成的离心式压气机内部流动通道是非常复杂的，由于压气机是发动机的主要增压设备，其工作的好坏对
2、发动机的性能有很大的影响。随着现在的计算机和数字计算方法的大力发展，三维计算流体模拟软件越来越多的被运用到旋转机械的内部流场进行数值分析。本文利用三维流体模拟软件ANSYS系列软件对压气机内部的气体流动性能进行模拟，得到一些特征截面的压力和速度分布情况。关键字：转子叶片；强度计算；Fluent；轴流式压气机AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor b
3、lades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the b
4、lade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to impr
5、ove the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development
6、 of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the press
7、ure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目录1 引言11.1课题介绍11.2研究方法11.2.1 直接计算法11.2.2 有限元分析法22转子叶片22.1叶身结构32.2榫头结构52.3叶片截面的几何特征73叶片强度计算103.1叶片受力分析103.2离心拉应力计算103.3离心弯应力计算123.4气流弯应力计算153.5叶片热载荷183
8、.6榫头强度计算194压气机内气流场的模拟214.1Fluent软件介绍214.2 双向流固耦合224.3模型建立234.3.1实体模型的建立234.3.2ICEM CFD网格划分274.3.3相关条件的设置284.4运行结果和分析294.4.1速度计算和分析294.4.2压力场计算和分析315结束语33【参考文献】34致 谢35附录1 相关英文文献:36附录2 英文文献中文译文:501 引言1.1 课题介绍压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，提供发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的启动提供压缩空气1。其中转子的主要组成部分转子叶片是完成该功能的核心零件。
9、转子叶片工作在比较恶劣的环境中：它的转速大，可以高达每分钟数千转或者数万转，因此承受很大的离心负荷；转子叶片处于发动机进口处，易被从空气中吸入的外来物（金属类、砂石类、软物体类）撞击形成损伤；空气中往往会携带沙尘，这些沙尘会对叶片表面进行磨蚀，对叶片造成损害，使叶片叶身减薄，弦长减短。压气机的类型一般可以分为三类：轴流式、离心式和混合式，本文研究的是轴流式压气机。叶片的制造和加工技术对压气机的工作效率及安全可靠性起着很重要的影响，压气机工作叶片是航空发动机的事故频发的罪魁祸首，叶片的故障可以占总故障的40%以上。压气机叶片强度设计包括叶片静强度、振动特性、蠕变/应力断裂寿命等。由于压气机高速旋
10、转而产生的离心力很大，榫头的强度不够，复杂的几何形状造成的表面不连续性，再加上安装时产生的误差，可能造成叶片松动，在严重时叶片脱落，轻者损坏压气机，重者造成整机的破坏。蠕变会引起塑性变形，一旦变形量超过叶片和机匣之间的径向间隙，就会使叶片和机匣相碰，导致叶片损坏。气流力会直接作用在工作叶片上，由于气流力是脉动的，这种脉动的性质就会使叶片发生振动。如果在发生共振现象时，叶片会发生疲劳断裂。气流力在叶片截面中产生的弯应力也会造成叶片的失效。在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性
11、。本论文在了解并学习压气机及转子叶片的相关知识基础上，分别求解出叶身的离心拉应力、离心弯应力、气流弯应力的大小以及计算出榫头的强度大小，并分析出在高温环境中叶片所产生的热力应变情况；同时采用软件仿真的方法，对压气机内部的流场进行模拟，以分析出压气机内部流体的流动情况。这对在设计中增大强度具有指导意义。1.2 研究方法通过查阅大量资料，进行相关文献资料的搜集工作，了解转子叶片技术的现状。对于叶片和内部气流场的分析，分别采用直接计算和有限元分析的方法对叶身和榫头并进行强度计算，以及对压气机内部流场进行模拟，以分析内部气体流动情况。1.2.1 直接计算法这是一近似的求解受力大小的方法。具体就是把叶片
12、简化为悬臂梁，在通过各种力学公式和定理进行计算，以得出受力大小及分布的结果。叶片工作的时候，叶片承受着气流的反作用力、叶片高速旋转所引起的离心力以及由温度变化所引起的热应力。1.2.2 有限元分析法今年来，随着计算机性能的不断提升，以及数字计算方法的不断改进，这都使得有限元分析软件在压气机叶片研究方面得到充分利用。本课题采用ANSYS和FLUENT在Workbench中进行流固耦合（fluid solid interaction,简称FSI）模拟分析。流固耦合模拟分析方法是指在模拟计算时候同时考虑相互作用力的分析方法。在实际的物理场中，流体的高压使得固体发生变形，而固体的变形进一步影响流场的流
13、动状态，两者相互作用影响，共同决定了最终的物理状态。FSI按照载荷的施加方式的不同，可以分为两种：第一种就是单向流固耦合（Uni-Directional FSI），这种方法就是只着重考虑其中一种物理场对另一物理场的作用，而忽略后者的反作用；另外一种就是双向流固耦合（Bi- Directional FSI），在将流体的载荷施加在固体上后，再将固体的变形参数迭代到下一步的流体计算中，整个过程不断的反复进行，直到达到最终的收敛目标。为了更好的对内流场的流动情况进行模拟，根据压气机内部的施加情况，即空气的物理状态的分析是流体力学，而叶片的结构变形是弹塑性力学，因此同时考虑流体和固体的耦合求解方式可以获
14、得更加准确，更加符合实际情况的计算结果。因此采用的双向流固耦合分析方式进行内流场的模拟分析。2转子叶片转子叶片又称动叶，是随同转子高速旋转的叶片，通过叶片的高速旋转实现气流与转子间的能量转换与气流方向改变的重要零件，它直接影响压气机的气动性能、工作可靠性、重量及成本等。在轴流式压气机中，叶片以环状排列在气流通道内组成叶栅，每一圈的叶片就被称为一级工作叶片，每级叶片数目由几十片不等，随着压气机的级数的增加，一台航空发动机的压气机上有几百到上千片不等的叶片，例如WJ6发动机一共有10级，转子叶片共有458片，静子叶片共有620片。转子叶片承受很大的离心力、较大的气动力和振动载荷，同时还要在一定的温
15、度状态下工作，承受一定的热负荷。因此转子叶片是直接影响发动机性能、可靠性和寿命的关键零件。转子叶片的设计、材料选择和制造都有十分严格的要求，如叶身须保持准确的气动外形和很光滑的表面，材料内部不允许有缺陷，晶粒不得过大等。叶片由叶身与榫头两部分组成。叶身是叶片在气流通道内带有叶型的部分，榫头是叶片安装在叶轮上的部分。图1 等截面转子叶片2.1叶身结构工作叶片的可靠性的依赖之一就是叶片本身叶型，当叶片工作时候，叶片上就作用有巨大的离心力、气动力、温差应力以及振动负荷。例如RB211的涡扇发动机中，每片风扇叶片的离心力高达550KN，因此需要有足够的强度。为了满足气动、强度以及加工方面要求，工作叶片的叶身一般都是由适应亚音速和超音速的工作的型面，按照一定的扭向规律及型面重心分布规律，沿叶高重叠而成，为了尽量的减轻重量，叶尖的弦长要比根部的低，厚度要比根部薄。在叶
