考虑热弹耦合效应的涡轮导向叶片热冲击数值研究

作     者：包天南 

作者单位：沈阳航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：艾延廷

授予年度：2018年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：涡轮导向叶片 热弹耦合 热冲击 热应力 耦合项 

摘      要：涡轮导向叶片长期工作于高温、高压的恶劣环境,受气动载荷和热冲击载荷的相互作用。研究发动机涡轮导向叶片在飞机起飞过程中的温度场及应力场变化的数值模拟技术,对其热疲劳分析及寿命预测具有重大意义。首先,基于亥姆霍兹自由能理论,对一维无限大平板热冲击问题进行解析解求解,并分别对考虑热弹耦合效应和不考虑热弹耦合效应的热冲击过程进行数值模拟和对比分析。结果表明:考虑热弹耦合效应的数值计算结果更趋近于解析解,温度误差降低5%-50%。并对不同换热系数及温差下平板热冲击过程数值模拟和对比分析,对考虑热弹耦合数值计算方法进行适用性研究。结果表明:对流换热系数增大时,温度误差先变小后增大,应力误差减小。伴随着外界环境与平板的温差越大,考虑热弹耦合效应的数值模拟计算结果误差越小,优势越明显。在此基础上,建立了考虑热弹耦合效应的涡轮导向叶片数值计算方法,并与单向耦合结果进行对比。结果表明:在发动机启动过程中,叶片前缘与尾缘温度上升速度最快,尾缘应力集中较为严重;与单项耦合结果的对比可知,在考虑了热弹耦合效应后,叶片温度上升速度降低,叶片应力峰值后移,考虑热弹耦合效应的温度计算结果更接近于实验值。最后,利用建立的计算方法,对涡轮导向叶片在不同流场压差、温差下进行了数值模拟。结论如下:伴随着压差的增加,温度随之增加,但其增加幅度变缓,应力峰值增加,应力较高处持续时间降低,在温度较为平稳时,应力随压差的增加而降低;伴随着温差变化的温度场数据,建立了温度递推型经验公式,与数值计算结果对比误差小于3%,除初始迭代误差外,数值误差不超过5‰。