北京航空航天大学 于荣斌

1.引言

某型发动机在工厂进行完长时间试验后，发动机分解检查时发现部分涡轮导向叶片有裂纹。裂纹位于排气边中部，并基本垂直于排气边。

本文使用CFX软件计算燃气的流场，然后将流场计算得到的温度场结果导入ANSYS中进行耦合计算，最终得到叶片的热应力分布情况。

2.导向叶片结构

导向叶片结构如图1所示。叶片从上到下可划分为挂钩、上缘板、叶身、下缘板、凸边五个部分。叶片上缘板上的两个挂钩挂在涡轮机匣内壁的环槽内限制导向叶片的径向位置。叶片下缘板的两条凸边共同组成一个圆锥面和一个环面，与内机匣配合。

导向叶片是空心的，但孔的下端焊接封闭，只起保持等壁厚、减重和减少热应力的作用。涡轮导向叶片上下缘板内表面构成燃气通道。

导向叶片的应力来源主要有如下三方面：

(1)导向叶片在工作过程中承受着温度场引起的热应力。在工作过程中，冷却气流冷却叶片外缘板，燃气在径向方向温度变化也很大。所以叶片存在着一个温度场，承受着因温度不均所产生的热应力。

(2)导向叶片在工作过程中承受着气动载荷。由于高温高压燃气流经导向叶片，使导向叶片承受着燃气所致的气动载荷。

(3)导向叶片还可能受到机匣与内机匣的配合影响。叶片与机匣、内机匣之间的配合关系也能够改变叶片的应力场。

在以上三种载荷中，热应力是涡轮导向叶片设计中主要考虑的。由此可以拟定导向叶片应力场分析的步骤。……