喷气发动机涡轮叶片热应力分析

本算例说明了如何计算涡轮叶片在稳态工况下的热应力和变形。叶片内部有冷却管道。流经管道的冷空气将叶片的温度维持在其材料的极限范围内。这种特性在现代刀片中很常见。

涡轮是喷气发动机的一个部件。负责从燃烧室产生的高温高压气体中提取能量，并将其转化为旋转运动产生推力。涡轮是由典型的镍合金叶片组成的径向阵列。这些合金能抵抗极高温的气体。在这样的温度下，材料会显著膨胀，在连接处产生机械应力和几毫米的显著变形。为了避免机械故障和叶片尖端与涡轮机匣之间的摩擦，叶片设计必须考虑到应力和变形。

该示例显示了一个三步工作流:

进行结构分析时，只考虑周围气体的压力而忽略热效应。
计算热应力而忽略压力。
结合压力和热应力。

压力加载

叶片受到来自周围气体的高压。计算仅由这个压力引起的应力。

首先，创建一个静态结构模型。

smodel = createpde (“结构性”，“static-solid”）;

导入并绘制几何图形，显示面标签。

importGeometry (smodel“Blade.stl”）;图pdegplot (smodel,“FaceLabels”，“上”，“FaceAlpha”, 0.5)

图中包含一个axes对象。axis对象包含quiver、patch和line类型的3个对象。

生成一个最大元素大小为0.01的网格。

msh = generateMesh (smodel,“Hmax”, 0.01);

指定镍基合金(NIMONIC 90)的杨氏模量、泊松比和热膨胀系数。

E = 227 e9;%在宾夕法尼亚州CTE = 12.7 e-6;% 1 / Kν= 0.27;structuralProperties (smodel“YoungsModulus”, E,.．.“PoissonsRatio”ν,.．.“CTE”CTE);

指定与其他金属接触的根面是固定的。

structuralBC (smodel“面子”3,“约束”，“固定”）;

指定叶片的压力和吸力侧的压力负荷。这种压力是由叶片周围的高压气体造成的。

p1 = 5 e5;%在宾夕法尼亚州p2 = 4.5 e5;%在宾夕法尼亚州structuralBoundaryLoad (smodel“面子”11“压力”, p1);%压力面structuralBoundaryLoad (smodel“面子”10“压力”, p2);%吸力面

解决结构性问题。

Rs =解决(smodel);

画出冯米塞斯应力和位移。指定变形比例因子为100，以更好地可视化变形。

图pdeplot3D (smodel,“ColorMapData”Rs。VonMisesStress,.．.“变形”Rs。位移,.．.“DeformationScaleFactor”, 100)视图([116年25]);

最大应力在100 Mpa左右，明显低于弹性极限。

热应力

确定温度分布，计算仅由热膨胀引起的应力和变形。这部分例子忽略了压强。

首先，建立稳态热分析的热模型。

tmodel = createpde (“热”，“稳态”）;

导入相同的几何图形，并使用相同的网格作为结构分析。

importGeometry (tmodel,“Blade.stl”）;tmodel。要看更多有关憩苑网=;

假设叶片是由镍基合金(NIMONIC 90)制成的，指定热导率。

卡普= 11.5;%在W / m / KthermalProperties (tmodel,“ThermalConductivity”卡普);

周围流体与叶片表面之间的对流换热确定了该问题的边界条件。在气体速度越高的地方，对流系数越大。此外，不同面周围的气体温度也不同。内部冷却空气的温度为 $150^{\circ} C$ ，压力侧和吸力侧温度为 $1000^{\circ} C$ ．

%内部冷却thermalBC (tmodel,“面子”(15 12 14),.．.“ConvectionCoefficient”30岁的.．.“AmbientTemperature”, 150);%压力面thermalBC (tmodel,“面子”11.．.“ConvectionCoefficient”, 50岁,.．.“AmbientTemperature”, 1000);%吸力面thermalBC (tmodel,“面子”10.．.“ConvectionCoefficient”现年40岁的.．.“AmbientTemperature”, 1000);%的小费thermalBC (tmodel,“面子”13岁的.．.“ConvectionCoefficient”, 20岁,.．.“AmbientTemperature”, 1000);%基础(暴露于高温气体)thermalBC (tmodel,“面子”，1,.．.“ConvectionCoefficient”现年40岁的.．.“AmbientTemperature”, 800);根与热气体接触thermalBC (tmodel,“面子”，[6 9 8 2 7]，.．.“ConvectionCoefficient”15岁的.．.“AmbientTemperature”, 400);

根表面与其他金属接触的边界条件是热接触，可以建模为具有非常大的对流系数(围绕 $1000 W / （米^{2} K ）$ -金属接触)。

根与金属接触thermalBC (tmodel,“面子”(3 4 5),.．.“ConvectionCoefficient”, 1000,.．.“AmbientTemperature”, 300);

求解热模型。

Rt =解决(tmodel);

画出温度分布。尖和根之间的温度在左右 $820^{\circ} C$ 来 $330^{\circ} C$ ．外部气体温度为 $1000^{\circ} C$ ．内部冷却是有效的:它大大降低了温度。

图pdeplot3D (tmodel,“ColorMapData”Rt.Temperature)视图((130、-20));

现在，创建一个静态结构模型来计算由于热膨胀引起的应力和变形。

tsmodel = createpde (“结构性”，“static-solid”）;

导入相同的几何图形，并使用相同的网格和结构属性的材料，作为结构分析。

importGeometry (tsmodel“Blade.stl”）;tsmodel。要看更多有关憩苑网=;structuralProperties (tsmodel“YoungsModulus”, E,.．.“PoissonsRatio”ν,.．.“CTE”CTE);

指定参考温度。

tsmodel。ReferenceTemperature = 300;%在摄氏度structuralBodyLoad (tsmodel“温度”, Rt);

指定边界条件。

structuralBC (tsmodel“面子”3,“约束”，“固定”）;

解决热应力问题。

Rts =解决(tsmodel);

画出冯米塞斯应力和位移。指定变形比例因子为100，以更好地可视化变形。应力集中在受约束的根部，因为它不能自由膨胀，也集中在叶片和根部的连接处。

图(“单位”，“归一化”，“outerposition”，[0 0 1 1]);pdeplot3D (tsmodel“ColorMapData”即时战略游戏。VonMisesStress,.．.“变形”即时战略游戏。位移,.．.“DeformationScaleFactor”，100) caaxis ([0,200e6]) view([116,25]);

评估尖端的位移。在盖的设计中，必须考虑到这个位移，以避免盖与叶片之间的摩擦。

马克斯(Rts.Displacement.Magnitude)

ans = 0.0015

综合压力加载和热应力

计算热、压综合作用下的应力和变形。

使用与热应力分析相同的模型。在叶片的压力面和吸力面增加压力负荷。这种压力是由叶片周围的高压气体造成的。

%压力面structuralBoundaryLoad (tsmodel“面子”11.．.“压力”, p1);%吸力面structuralBoundaryLoad (tsmodel“面子”10.．.“压力”, p2);

解决模型。

Rc =解决(tsmodel);

画出冯米塞斯应力和位移。指定变形比例因子为100，以更好地可视化变形。

图(“单位”，“归一化”，“outerposition”，[0 0 1 1]);pdeplot3D (tsmodel“ColorMapData”Rc。VonMisesStress,.．.“变形”Rc。位移,.．.“DeformationScaleFactor”，100) caaxis ([0,200e6]) view([116,25]);

评估最大应力和最大位移。位移与热应力分析基本相同，而最大应力为854 MPa，明显高于热应力分析。

马克斯(Rc.VonMisesStress)

ans = 9.8378 e + 08年

马克斯(Rc.Displacement.Magnitude)

ans = 0.0015