压气机叶片叶根轮槽物理场预测及快速优化设计

赵宇轩,陈子峰,黄丞明,谢永慧,张荻

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

压气机是燃气轮机装置的重要组成部分,在压气机的运转过程中,其叶片长时间处在高温、高压的状态下,还受到离心力载荷等复杂的交变载荷作用,这会导致叶片容易产生结构损坏。在燃气轮机的所有故障中,由叶片导致的故障占比达到42%[1]。此外,在各类发动机的零部件损坏事故中,转子叶片损坏占70%以上[2]。可见,叶片是燃气轮机中相当关键的部件,叶片的损坏往往会造成严重事故。

叶根轮槽是叶片与轮盘的连接部分,在工作过程中,其不仅受到离心力等载荷作用,同时在叶根和轮槽的接触区域附近也会产生应力集中,容易引起叶根失效[3]或轮槽开裂[4],从而造成安全事故,因此对叶片叶根和轮槽部位的研究尤为重要。

针对叶根轮槽的主流研究方法为有限元法。国内最早运用有限元法进行分析是在20世纪80年代,陈文伟等[5]、黄秀珠等[6]对汽轮机枞树型叶根轮槽结构进行了弹性有限元分析。沈伟君等[7]在弹性有限元分析的基础上,通过考虑温度场的影响,完善了有限元计算流程。随着计算水平的提高,有限元分析方法日渐成熟。Sinclair等[8]对燕尾型叶根轮槽结构接触特性展开了研究,发现使用凸面加工结构可以减小接触应力。Beisheim等[9]在上述研究的基础上对燕尾型叶根轮槽结构进行了改进。王小平[10]利用变态模型分析了厚度、弹性模量等因素对叶根轮槽接触应力大小和分布的影响。……