某型发动机涡轮叶片的蠕变寿命分析
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８９． ７７ ４ ３ 【 ４４ ３ ｌ ０３ ．
（） ３ 在实 际叶片模 型上施加 的约束 。 如下 ３ ： 有 项
一
是在各个榫头上齿接触面施加沿径向约束 ； 二是 由于涡轮叶片工作状态下相互抵紧 ，在座
台与叶冠施加周 向约束 ； 三是 为 了防 止 叶片 在离 心 载 荷 作 用下 的翘 曲变
动机 ，涡轮转子及叶片作为燃气轮机关键零部件 ， 在 工作中承受着很大的热负荷、 离心力 、 气流力。 由于其 工作 条 件恶 劣 ， 得 涡轮 盘 叶片成 为故 障多 发 的零部 使 有限元分析过程流程如图 １ 所示。
件， 其寿命直接决定 了燃气轮机的使 用寿命 ， 涡轮叶 片在高温燃气和循环载荷下的工作可靠性 ， 将直接影
２２ 材 料 属性 ．
涡轮 叶片所使用 的金属材料 为在 Ｒ ｎ ’０ ｅｅ８ 基础 上 ， 当提高合金元素铝和钛 的含量 ， 适 并添加合金元 素铌发展而成的以 Ｎ —ｃ 固溶体为基体 、有较高的 ｉ ｒ 热强性 、 良好 的综合性 能、 足够 的抗氧化性能和满意 的组 织稳 定 性 ， 于耐 高温 的强 韧化材 料 。 属 在Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ 中输人材料参量。密度 Ｄ ｎ ， ｅｓ泊松 比 Ｐ Ｘ 弹性模量 Ｅ 导热系数 Ｋ ｘ 如 图 ３ Ｒ Ｙ， Ｘ， ｘ （ 所示 ） ， 热膨胀 系数 Ａ Ｐ （ 图 ４ ＬＸ如 所示 ）比热容进行有 限元 ，
２４ 离 心载 荷和 温度场 综 合分析 ．
由图 ７叶片 变形 情 况 、 图 ８叶 身 等 效应 力 云 图
以及 图 ９叶片等效应ຫໍສະໝຸດ Baidu云图综合分析 ，叶身部分应 力主要集中于叶身与叶冠接触部分 、叶身与榫头接
温度（ ℃）
触部分 ，即应力危险 区域主要分 布于涡轮 叶片上 ３
个 部位 ：
在图 １ ｌ温 度 一屈 服 ／ 限 应 力 曲 线 中 ， 极 将 到 ８ ＯＩ是屈 服 极 限为 ６ ８７ＭＰ ； ９０～９０℃之 ２５ 不 同工 况下 的应 力分析 比较 ７ｃ ＝ １． ａ 将 ０ ５ ． 间 的屈服 极 限视 为 线性 变 化 ， 则可 得 到 ９ ０Ｃ ２ ￣是屈 服
温 度（ ℃）
图 １ １
温度 一屈 服 ／ 限应 力曲线 极
叶身部分最大应力出现于叶尖截 面 ，应力值为
４ ６７ ａ如 图 １ 所 示 。 ５ ． ＭＰ ， ９ ２
（） １ 叶身与榫头接触部位。 此处为叶身部分受到 离 心 载 荷最 大 的部 位 ，由于 约束 作 用会 产 生应 力 集 中还有弯曲应力 、 扭转应力存在 。而且叶身部分与榫 头部分温度分布相差较大 ， 进而引起很大的热应力 。 （） ２ 叶身与叶冠接触部位。此处叶身较薄， 与叶
摘 要 ： 对某型航 空发 动机 的涡轮 叶片 ， 针 开展 了应力计算 ， 进行 给定转速和 温度场条件 下的弹 塑性有限元分析 ， 到应 得
力场； 对叶片上的危险位置和最大应力值进行分析 ， 计算提高工况时的涡轮叶片的应力场， 分析温度场提高和转速提高
对叶身应力分布的影响和最 大应 力值 的变化程度 ； 对温度场 和离心栽荷分析计算的结果 ， 针 对于涡轮 叶片结构设计 、 故
（） ３ 叶身温度最高部位。 此处产生离心应力水平 中等 ， 由于 高 温会 使 得材 料 性 能 的改 变 ， 易 产生 但 容 较大的危险。 由图 ｌ Ｏ叶片温度分布情况可 以看出 ， 叶身与榫 头 接 触 部 位 以 及 叶 身 与 叶 冠 接 触 部 位 的 温 度 在 ８０ ８ ０℃之间 ， ３～ ７ 为提高安全性 ， ８ＯＣ 以 ７ ｑ标准进行
，
００， ． ０ 共计划分单元数 ４ ２ 个 ， ８ ５３７ 节点数 ８ ８ ７ ４ 个。 ５
将 Ｈ ｐｒｍ ｓ ｙｅ ｅｈ的 网格 模 型 导 入 Ａ ｓｓ软 件 中 ｎｙ
２３ 载 荷施 加 ．
（） １ 离心 载荷 。在 叶片模 型上施 加 绕 轴 的
时， 进行涡轮叶片的应力分析。由于使得导人的模型
响飞行安全ｌ以及发动机的使用寿命［］ 生 ２。 － ５ 因此 ， 对于涡轮叶片蠕变寿命 的研究 ， 将对提高 涡轮 叶片设计 以及航空发 动机整体可靠 性提升 ， 都 有十分显著的作用 。
图 １ 有 限 元分 析流 程
１ 研 究 方 法
２ 涡轮叶片的有 限元分析
通 过采用 比较研 究法 以及数 值模 拟 的研 究方 ２ １ 有 限元模 型 ． 法， 对涡轮叶片进行模拟计算 ， 利用 已选择 的蠕变寿 首先利用 Ｕ Ｇ软件 建立某型航空发动机涡轮叶 命预测方法 ， 对所 给的叶片模型进行计算模拟 ； 首先 片部件的几何模型。根据分析问题的需要 ， 叶片模 对 对 所 给 的模 型进 行合 理 的简 化 ，根 据 叶片 的结构 特 型采用 一定 的简化措 施 。研究 过 程 中 ， 点考 察 叶身 重 点 和 载荷 分 布 划 分 网格 ， 导人 Ａ Ｓ Ｓ进 行 模拟 计 部 分 负 载情 况 ，对 榫 头 和轮 盘 榫槽 间 的摩 擦 力 不 做 再 ＮＹ 算 。对 叶 片进行 热 分 析 以及 应 力分 析 。 关 注 ， 榫槽 部 位 做简 化 处理 ， 略一 些 非关 键 部 位 对 忽 （） １ 热分析 。选取最高温度作为主要计算状态。 小 的销 钉孔 以及 小 的倒 角 。 由涡轮叶片的热源和结构 ，在有限元模型 中构成热 将 叶片模型通过 Ｐｒ ｏ ｄ ａ ｓｌ 格式从 Ｕ ａ ｉ Ｇ导入 Ｈ — ｙ 边界 条 件进 行模 拟 计算 。 ｐｒ ｅ 软件 中， ｅｍ ｓ ｈ 使用 四面体网格和六面体 网格 的混 （ ） 力 分 析 。 由资料 中可 以得 到 叶片 的载 荷 ， 合 网格划 分 ， ２应 在保 证精 度 的 同时大 大减 少 了工作 量 。 并结合飞行状态计算 ，可知各个状态下的温度场和 混合 网格模式下 ， 利用三维 ２ 节点六面体单元 ０ 应力载荷 ， 进而进行有限元分析。计划选取温度最高 与 １ ０节点 四面体单元综合分网 ， 两种单元过渡处为 部位 、叶根叶背叶尖 、叶身应力最大点进行考核计 金字塔单元 ；单元大小为 １ ０ ，最小单元大小 为 ．０ ０
图 ４ Ｒ ｎ ’０材 料 的温 度 一热 膨 胀 系数 曲线 ｅ ｅ８ ６
《 装备制造技术）０２ ２ １ 年第 ６ 期
图 ７ 叶片变形情况
５０ ０ ６０ ０ ７０ ０ ８０ ０ ９Ｏ Ｏ ｌ０ ０ ０ Ｉ １０ ０
； Ｉ 一 一
图８ 叶身等效应力云图 图９ 叶片等效应力云图
极 限为 ４ ５ １ ａ ９ ．４ＭＰ 。
４ ６７ ５ ．９
应力危险区域最大应力
４ Ｉ１ ０ ．ｌ ４ ３１ ３ ．９
温度最高处 榫头连 接处 叶冠连接处
安全系数
Ｉ ３ ．４ ２
Ｉ ２ ．７ ４
１ ５ ．３ ３
因此实 际叶片工作状态下叶身部分应力水平处 ８０～９０ｏ之 间的屈 服极 限视为 线 性变 化 ，则 可得 于 较为 安全 的范 围 。 ５ ０ Ｃ
障预防 维修 以及航 空发动机整￣ － 靠性有重要意 义。 ｑ ． －
关键词 ： 涡轮 叶片 ； 应力分析 ； 有限元 ； 数值模拟
中图 分 类 号 ： ２ １ Ｖ ３ 文 献 标识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ２ ５ ５ （ ０ ２ ０ － ０ ５ ０ １ ７ — ４ Ｘ ２ １ ）６ ０ ０ － ４
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ９ ２ １ — ３ １ 作者简介 ： 柯铭 亮（ ９７ ） 男 ， １８ 一 ， 福建福州人 ， 助理工程师 ， 本科学历 ， 研究方向为机械 制造 与设计 。
５
Ｅ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎ ． ２ １ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆ ｃｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ６ ０ ２ ｉ
冠部分由于约束作用 ， 会产生应力集 中， 同时 由于温
图 １ ２
叶尖截面等效应 力云 图
但在叶片最高温部位（ 图 １ 所示 ）高温使得 如 ３ ， 度分布不同 ， 引起热应力。工作载荷会使此处产生较 大塑性变形 ， 而使应力重新分布 ， 对叶身寿命产生较 材料性能恶化 ， 虽然此处应力并非最大值 ， 但相对叶 根、 叶尖部分 ， 此处安全系数低 ， 危险程度大。 大 的 影 响。
《 装备制造技术） ０２ ２ １ 年第 ６ 期
某型发 动机涡轮叶片的蠕变寿命分析
柯 铭 亮 杨伟锋 ， 丁玉亭 薛伦生 ’ ， ， ， ／
（． １ 空军工程大学 导弹学院， 陕西 三原 ７ ３０ ；． １８０ ２ 解放军 ９７４ 队装备处 ， ３０ 部 北京 通州 １１４ ） ０ １９
形 ， 座 台与 叶冠施 加轴 向约 束 （ 图 ６ 。 在 如 ）
３ ０ ４ ０ ６ ｏ ７ ０ ９ Ｏ １０ ０ ０ ５ ０ ５ Ｏ ５
温度（ ℃）
图 ３ Ｒ ｎ ’０材 料的温度 一弹性模量 曲线与导热系数 曲线 ｅ ｅ８
图 ６ 叶 片 约 束 施 加 情 况
，
Ｌ：＝ ：＝ 壤蘸再豫 触 ｆ ＝＝ ＝ ＝
＼
Ｉ
｛
５Ｏ Ｏ
６０ ０
７０ ０
８ｔ ０｝
９０ ０
ｌ０ ０ ０
Ｉ１０ ０
分析的准备。
表 １ 材 料 参 量
温度 ， ℃
图 ５ 温 度 场 加 载 对 比情 况
密 （／ ） 比 容Ｃ ｌ 泊 度Ｐｋｍ １ 热 松比 ｇ３
Ⅲ 一
位置
叶根截 面
轴心距（ ｍ）
Ｏ ４ ． Ｏ３ ２
温度（ ） ℃
８５ ７
叶高 １ 处 ／ ４ 叶高 １ 处 ／ ２ 叶高 ３ 处 ／ ４ 叶尖截 面
０５ ． ６９ ２ ０ ７ ． ３４ ２ ０ ９Ｏ ．Ｏ ２ ０３６６ ． Ｏ
９８ ｌ ９Ｏ ２ ９ｏ ０ ８８ ３
ｕ（ 、 ｙ 航空发动机涡轮叶片构件 ， 长期在高温和循环载 算 。主要使用的软件包括 ： Ｇ 建立实体模型 ）Ｈ — ｅｍ ｓ ￣模型进行 网格划分 ） ｈ 以及 Ａ ｓ Ｓ 进行仿 ＮＹ （ 荷共同作用下工作 ，疲劳 一蠕变交互作 用导致的断 ｐｒ ｅ （ 。 裂， 是此 类 热锻构 件 失效 的主要 原 因【 而对 于航 空 发 真模拟计算 ） ｌ 】 。
１ ２ ． ｄ 旋转角速度， ３ １ａ／ ３ ６ｒ ｓ 使得叶片产生离心拉应力。 在叶背位置出现明显缺块和网格划分单元品质不高 （） ２ 温度载荷。选取 叶身部位的关键截面温度 ， 等原因 ，选择 ｓ ｉ１７ ｏ ｄ８ 以及 ｃｍ ｉｌ 单元对实 际模 如表 ２ ｌ ｏｂ ４ ｎ 。 型 网格划分进行修正 ，共计 ２ ８ ３ ６ 单元 ， ｌ １７ ２ ｓ ｉ ８ 单 ０ｄ 表 ２ 关键截面温度数据 元数 ２ ， ４个 ，ｏ ｂ ｌ 单元数 ２ 个 ， ３２ ４ ｃｍ ｉ ４ ｎ ４ 整个有限元 模型共计 ４ ７ ２ 个节点 ， ３ 如图 ２ 所示。
＝
蕾
…
将关键截面温度分布与实际工作温度场进行 比
｛ ｌ
图２ 涡 轮 叶片 有 限元 模 型
对发现 ，利用关键截面的温度数据所施加的温度场 与实际工作温度场 的差别属于允许范 围内 （ 图 ５ 如 所示 ）可 以利用这组数据进行温度载荷的施加。 ，
； 一实际工 作温 度场 ； ～
分 析计 算 。
图 １ 叶身最 高温度截面应 力云 图 ３
；
图 １ 叶 片 温 度分 布 情 况 ０
在实际 叶片工作载荷条件下 ，叶身部分较为安 全， 各部分最大应力都没有超过屈服极限 ， 安全系数 较为合理 ， 如表 ３ 。
表３
应 力 （ ａ ＭＰ ）
～ 一～ ．
（） ３ 在实 际叶片模 型上施加 的约束 。 如下 ３ ： 有 项
一
是在各个榫头上齿接触面施加沿径向约束 ； 二是 由于涡轮叶片工作状态下相互抵紧 ，在座
台与叶冠施加周 向约束 ； 三是 为 了防 止 叶片 在离 心 载 荷 作 用下 的翘 曲变
动机 ，涡轮转子及叶片作为燃气轮机关键零部件 ， 在 工作中承受着很大的热负荷、 离心力 、 气流力。 由于其 工作 条 件恶 劣 ， 得 涡轮 盘 叶片成 为故 障多 发 的零部 使 有限元分析过程流程如图 １ 所示。
件， 其寿命直接决定 了燃气轮机的使 用寿命 ， 涡轮叶 片在高温燃气和循环载荷下的工作可靠性 ， 将直接影
２２ 材 料 属性 ．
涡轮 叶片所使用 的金属材料 为在 Ｒ ｎ ’０ ｅｅ８ 基础 上 ， 当提高合金元素铝和钛 的含量 ， 适 并添加合金元 素铌发展而成的以 Ｎ —ｃ 固溶体为基体 、有较高的 ｉ ｒ 热强性 、 良好 的综合性 能、 足够 的抗氧化性能和满意 的组 织稳 定 性 ， 于耐 高温 的强 韧化材 料 。 属 在Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ 中输人材料参量。密度 Ｄ ｎ ， ｅｓ泊松 比 Ｐ Ｘ 弹性模量 Ｅ 导热系数 Ｋ ｘ 如 图 ３ Ｒ Ｙ， Ｘ， ｘ （ 所示 ） ， 热膨胀 系数 Ａ Ｐ （ 图 ４ ＬＸ如 所示 ）比热容进行有 限元 ，
２４ 离 心载 荷和 温度场 综 合分析 ．
由图 ７叶片 变形 情 况 、 图 ８叶 身 等 效应 力 云 图
以及 图 ９叶片等效应ຫໍສະໝຸດ Baidu云图综合分析 ，叶身部分应 力主要集中于叶身与叶冠接触部分 、叶身与榫头接
温度（ ℃）
触部分 ，即应力危险 区域主要分 布于涡轮 叶片上 ３
个 部位 ：
在图 １ ｌ温 度 一屈 服 ／ 限 应 力 曲 线 中 ， 极 将 到 ８ ＯＩ是屈 服 极 限为 ６ ８７ＭＰ ； ９０～９０℃之 ２５ 不 同工 况下 的应 力分析 比较 ７ｃ ＝ １． ａ 将 ０ ５ ． 间 的屈服 极 限视 为 线性 变 化 ， 则可 得 到 ９ ０Ｃ ２ ￣是屈 服
温 度（ ℃）
图 １ １
温度 一屈 服 ／ 限应 力曲线 极
叶身部分最大应力出现于叶尖截 面 ，应力值为
４ ６７ ａ如 图 １ 所 示 。 ５ ． ＭＰ ， ９ ２
（） １ 叶身与榫头接触部位。 此处为叶身部分受到 离 心 载 荷最 大 的部 位 ，由于 约束 作 用会 产 生应 力 集 中还有弯曲应力 、 扭转应力存在 。而且叶身部分与榫 头部分温度分布相差较大 ， 进而引起很大的热应力 。 （） ２ 叶身与叶冠接触部位。此处叶身较薄， 与叶
摘 要 ： 对某型航 空发 动机 的涡轮 叶片 ， 针 开展 了应力计算 ， 进行 给定转速和 温度场条件 下的弹 塑性有限元分析 ， 到应 得
力场； 对叶片上的危险位置和最大应力值进行分析 ， 计算提高工况时的涡轮叶片的应力场， 分析温度场提高和转速提高
对叶身应力分布的影响和最 大应 力值 的变化程度 ； 对温度场 和离心栽荷分析计算的结果 ， 针 对于涡轮 叶片结构设计 、 故
（） ３ 叶身温度最高部位。 此处产生离心应力水平 中等 ， 由于 高 温会 使 得材 料 性 能 的改 变 ， 易 产生 但 容 较大的危险。 由图 ｌ Ｏ叶片温度分布情况可 以看出 ， 叶身与榫 头 接 触 部 位 以 及 叶 身 与 叶 冠 接 触 部 位 的 温 度 在 ８０ ８ ０℃之间 ， ３～ ７ 为提高安全性 ， ８ＯＣ 以 ７ ｑ标准进行
，
００， ． ０ 共计划分单元数 ４ ２ 个 ， ８ ５３７ 节点数 ８ ８ ７ ４ 个。 ５
将 Ｈ ｐｒｍ ｓ ｙｅ ｅｈ的 网格 模 型 导 入 Ａ ｓｓ软 件 中 ｎｙ
２３ 载 荷施 加 ．
（） １ 离心 载荷 。在 叶片模 型上施 加 绕 轴 的
时， 进行涡轮叶片的应力分析。由于使得导人的模型
响飞行安全ｌ以及发动机的使用寿命［］ 生 ２。 － ５ 因此 ， 对于涡轮叶片蠕变寿命 的研究 ， 将对提高 涡轮 叶片设计 以及航空发 动机整体可靠 性提升 ， 都 有十分显著的作用 。
图 １ 有 限 元分 析流 程
１ 研 究 方 法
２ 涡轮叶片的有 限元分析
通 过采用 比较研 究法 以及数 值模 拟 的研 究方 ２ １ 有 限元模 型 ． 法， 对涡轮叶片进行模拟计算 ， 利用 已选择 的蠕变寿 首先利用 Ｕ Ｇ软件 建立某型航空发动机涡轮叶 命预测方法 ， 对所 给的叶片模型进行计算模拟 ； 首先 片部件的几何模型。根据分析问题的需要 ， 叶片模 对 对 所 给 的模 型进 行合 理 的简 化 ，根 据 叶片 的结构 特 型采用 一定 的简化措 施 。研究 过 程 中 ， 点考 察 叶身 重 点 和 载荷 分 布 划 分 网格 ， 导人 Ａ Ｓ Ｓ进 行 模拟 计 部 分 负 载情 况 ，对 榫 头 和轮 盘 榫槽 间 的摩 擦 力 不 做 再 ＮＹ 算 。对 叶 片进行 热 分 析 以及 应 力分 析 。 关 注 ， 榫槽 部 位 做简 化 处理 ， 略一 些 非关 键 部 位 对 忽 （） １ 热分析 。选取最高温度作为主要计算状态。 小 的销 钉孔 以及 小 的倒 角 。 由涡轮叶片的热源和结构 ，在有限元模型 中构成热 将 叶片模型通过 Ｐｒ ｏ ｄ ａ ｓｌ 格式从 Ｕ ａ ｉ Ｇ导入 Ｈ — ｙ 边界 条 件进 行模 拟 计算 。 ｐｒ ｅ 软件 中， ｅｍ ｓ ｈ 使用 四面体网格和六面体 网格 的混 （ ） 力 分 析 。 由资料 中可 以得 到 叶片 的载 荷 ， 合 网格划 分 ， ２应 在保 证精 度 的 同时大 大减 少 了工作 量 。 并结合飞行状态计算 ，可知各个状态下的温度场和 混合 网格模式下 ， 利用三维 ２ 节点六面体单元 ０ 应力载荷 ， 进而进行有限元分析。计划选取温度最高 与 １ ０节点 四面体单元综合分网 ， 两种单元过渡处为 部位 、叶根叶背叶尖 、叶身应力最大点进行考核计 金字塔单元 ；单元大小为 １ ０ ，最小单元大小 为 ．０ ０
图 ４ Ｒ ｎ ’０材 料 的温 度 一热 膨 胀 系数 曲线 ｅ ｅ８ ６
《 装备制造技术）０２ ２ １ 年第 ６ 期
图 ７ 叶片变形情况
５０ ０ ６０ ０ ７０ ０ ８０ ０ ９Ｏ Ｏ ｌ０ ０ ０ Ｉ １０ ０
； Ｉ 一 一
图８ 叶身等效应力云图 图９ 叶片等效应力云图
极 限为 ４ ５ １ ａ ９ ．４ＭＰ 。
４ ６７ ５ ．９
应力危险区域最大应力
４ Ｉ１ ０ ．ｌ ４ ３１ ３ ．９
温度最高处 榫头连 接处 叶冠连接处
安全系数
Ｉ ３ ．４ ２
Ｉ ２ ．７ ４
１ ５ ．３ ３
因此实 际叶片工作状态下叶身部分应力水平处 ８０～９０ｏ之 间的屈 服极 限视为 线 性变 化 ，则 可得 于 较为 安全 的范 围 。 ５ ０ Ｃ
障预防 维修 以及航 空发动机整￣ － 靠性有重要意 义。 ｑ ． －
关键词 ： 涡轮 叶片 ； 应力分析 ； 有限元 ； 数值模拟
中图 分 类 号 ： ２ １ Ｖ ３ 文 献 标识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ２ ５ ５ （ ０ ２ ０ － ０ ５ ０ １ ７ — ４ Ｘ ２ １ ）６ ０ ０ － ４
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ９ ２ １ — ３ １ 作者简介 ： 柯铭 亮（ ９７ ） 男 ， １８ 一 ， 福建福州人 ， 助理工程师 ， 本科学历 ， 研究方向为机械 制造 与设计 。
５
Ｅ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎ ． ２ １ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆ ｃｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ６ ０ ２ ｉ
冠部分由于约束作用 ， 会产生应力集 中， 同时 由于温
图 １ ２
叶尖截面等效应 力云 图
但在叶片最高温部位（ 图 １ 所示 ）高温使得 如 ３ ， 度分布不同 ， 引起热应力。工作载荷会使此处产生较 大塑性变形 ， 而使应力重新分布 ， 对叶身寿命产生较 材料性能恶化 ， 虽然此处应力并非最大值 ， 但相对叶 根、 叶尖部分 ， 此处安全系数低 ， 危险程度大。 大 的 影 响。
《 装备制造技术） ０２ ２ １ 年第 ６ 期
某型发 动机涡轮叶片的蠕变寿命分析
柯 铭 亮 杨伟锋 ， 丁玉亭 薛伦生 ’ ， ， ， ／
（． １ 空军工程大学 导弹学院， 陕西 三原 ７ ３０ ；． １８０ ２ 解放军 ９７４ 队装备处 ， ３０ 部 北京 通州 １１４ ） ０ １９
形 ， 座 台与 叶冠施 加轴 向约 束 （ 图 ６ 。 在 如 ）
３ ０ ４ ０ ６ ｏ ７ ０ ９ Ｏ １０ ０ ０ ５ ０ ５ Ｏ ５
温度（ ℃）
图 ３ Ｒ ｎ ’０材 料的温度 一弹性模量 曲线与导热系数 曲线 ｅ ｅ８
图 ６ 叶 片 约 束 施 加 情 况
，
Ｌ：＝ ：＝ 壤蘸再豫 触 ｆ ＝＝ ＝ ＝
＼
Ｉ
｛
５Ｏ Ｏ
６０ ０
７０ ０
８ｔ ０｝
９０ ０
ｌ０ ０ ０
Ｉ１０ ０
分析的准备。
表 １ 材 料 参 量
温度 ， ℃
图 ５ 温 度 场 加 载 对 比情 况
密 （／ ） 比 容Ｃ ｌ 泊 度Ｐｋｍ １ 热 松比 ｇ３
Ⅲ 一
位置
叶根截 面
轴心距（ ｍ）
Ｏ ４ ． Ｏ３ ２
温度（ ） ℃
８５ ７
叶高 １ 处 ／ ４ 叶高 １ 处 ／ ２ 叶高 ３ 处 ／ ４ 叶尖截 面
０５ ． ６９ ２ ０ ７ ． ３４ ２ ０ ９Ｏ ．Ｏ ２ ０３６６ ． Ｏ
９８ ｌ ９Ｏ ２ ９ｏ ０ ８８ ３
ｕ（ 、 ｙ 航空发动机涡轮叶片构件 ， 长期在高温和循环载 算 。主要使用的软件包括 ： Ｇ 建立实体模型 ）Ｈ — ｅｍ ｓ ￣模型进行 网格划分 ） ｈ 以及 Ａ ｓ Ｓ 进行仿 ＮＹ （ 荷共同作用下工作 ，疲劳 一蠕变交互作 用导致的断 ｐｒ ｅ （ 。 裂， 是此 类 热锻构 件 失效 的主要 原 因【 而对 于航 空 发 真模拟计算 ） ｌ 】 。
１ ２ ． ｄ 旋转角速度， ３ １ａ／ ３ ６ｒ ｓ 使得叶片产生离心拉应力。 在叶背位置出现明显缺块和网格划分单元品质不高 （） ２ 温度载荷。选取 叶身部位的关键截面温度 ， 等原因 ，选择 ｓ ｉ１７ ｏ ｄ８ 以及 ｃｍ ｉｌ 单元对实 际模 如表 ２ ｌ ｏｂ ４ ｎ 。 型 网格划分进行修正 ，共计 ２ ８ ３ ６ 单元 ， ｌ １７ ２ ｓ ｉ ８ 单 ０ｄ 表 ２ 关键截面温度数据 元数 ２ ， ４个 ，ｏ ｂ ｌ 单元数 ２ 个 ， ３２ ４ ｃｍ ｉ ４ ｎ ４ 整个有限元 模型共计 ４ ７ ２ 个节点 ， ３ 如图 ２ 所示。
＝
蕾
…
将关键截面温度分布与实际工作温度场进行 比
｛ ｌ
图２ 涡 轮 叶片 有 限元 模 型
对发现 ，利用关键截面的温度数据所施加的温度场 与实际工作温度场 的差别属于允许范 围内 （ 图 ５ 如 所示 ）可 以利用这组数据进行温度载荷的施加。 ，
； 一实际工 作温 度场 ； ～
分 析计 算 。
图 １ 叶身最 高温度截面应 力云 图 ３
；
图 １ 叶 片 温 度分 布 情 况 ０
在实际 叶片工作载荷条件下 ，叶身部分较为安 全， 各部分最大应力都没有超过屈服极限 ， 安全系数 较为合理 ， 如表 ３ 。
表３
应 力 （ ａ ＭＰ ）
～ 一～ ．