涡轮盘及槽底瞬态温度场及应力场分析

本文提供了用有限元素法对瞬态及稳态温度场及应力场进行计算分析的方法及程序。用加权余数法直接对轴对称瞬态热传导方程求解,对空间域及时间域离散建立有限元表达式。 以现有某型发动机Ⅰ级涡轮盘为算例,计算了起动、慢车、最大、冷机和停车等各种工况下的温度场及应力场。由此得出应力最大部位与应力幅值最大的部位,而且两者并不在同一部位。而疲劳裂纹常常发生在槽底应力变化幅值最大的部位。     

涡轮盘的破裂分析

某烟气轮机涡轮盘发生了盘缘断裂掉块事故,某航空发动机Ⅰ级涡轮盘也大量发生槽底裂纹的故障。我们对这两个盘的盘体和槽底部分用轴对称和平面8节点等参元有限元法对温度场(包括瞬态温度场)与应力场进行了计算,从而对涡轮盘在不同工作状态下的应力分布及故障原因进行了分析。本文着重阐述冷却条件对于涡轮应力分布是十分重要的,同时,不应忽视轮缘的应力水平,在某特定工作状态下,轮缘的应力值可能远远超过轮心,而且循环的应力幅值也很大,且由于载荷与几何形状的复杂性,在轮缘与榫齿的过渡段上出现较大的应力集中,往往成为裂纹源区;本文最后分析了轮缘残余应力形成及对槽底径向裂纹的生成与扩展的影响。