涡轮叶轮热-结构耦合分析字体:小中大|打印发表于:2007-11-1116:07作者:loverxz来源:发动机作者：中国北方发动机研究所裴伟张继忠摘要：本文采用热－结构耦合分析方法，分析涡轮叶轮采用轻质材料－钛铝合金后，在高排温、高转速下的应力情况。并将分析结果与试验测试结果进行对比，分析涡轮叶轮破坏的原因，并验证计算方法。关键词：叶轮，热－结构耦合分析，钛铝合金1前言增压器的工作原理是，通过[url=http.html]发动机[/url]废气推动涡轮叶轮高速旋转，吸收[url=.html]发动机[/url]排气的能量，同时带动同轴的压气机叶轮，压缩新鲜空气到[url=.html]发动机[/url]气缸内，起到增压的目的。涡轮叶轮不仅承受着高转速所带来的离心力作用，还要面对[url=html]发动机[/url]所排出的700℃左右的高温，因此涡轮叶轮的可靠性就显得尤为重要。一般的涡轮叶轮采用镍基高温耐热合金材料，有良好的高温机械性能，但由于其密度大，直接影响增压器的加速性。采用轻质材料可以大幅度提高增压器瞬态响应性，但材料的高温特性还需要进一步验证。本文讨论涡轮叶轮采用钛铝合金后，针对试验前期的强度计算、试验结果分析以及试验后再进行的强度验算等情况的变化，进行了分析和总结，同时根据分析结果修改了叶轮设计过程的强度计算方法，进一步提高了设计准确度。2涡轮叶轮结构、材料特性和计算边界条件本文研究的涡轮叶轮为向心混流式叶轮，叶轮最大直径为136.2mm，叶片由12片组成，整个叶轮重量在采用了钛铝合金材料后，由原来的2.4公斤减为1.15公斤。该材料密度为3.9g/cm3，常温下屈服强度σp0.2＝452MPa，抗拉强度σb＝533Mpa，随温度变化趋势图见图1，材料性能如表1所示。图1钛铝材料抗拉强度、屈服强度趋势图表1TiAl涡轮叶轮材料性能[/url]为了降低计算规模，根据涡轮叶轮旋转对称结构的特点，在计算过程中取叶轮的1/12模型，设置周期性边界进行计算、分析。网格选用8节点六面体实体单元SOLID45，在叶片的圆角处进行了网格细化，同时根据实际情况定义了位移约束。3试验结果分析涡轮叶轮采用钛铝合金材料后，为验证其可靠性，进行了超速破坏试验，当增压器转速达到90000转/分钟后，涡轮叶轮发生断裂，如图2所示。经初步分析，叶轮可能是从轮背与轴的交界处开始断裂的，断裂位置如图3所示。图2TiAl涡轮叶轮破坏情况图3TiAl涡轮叶轮断裂位置试验结果和前期设计过程中叶轮静强度计算结果对比发现，叶片最大应力集中的区域，并不在试验样件断裂的位置，最大应力集中...