某小型涡喷发动机燃烧室疲劳仿真分析

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燃烧室是涡喷发动机的重要部件l2]。位于压气机和涡轮之间，其作用是将快速流动气体燃烧的化学能转换成热能，形成高温气体，并达到涡轮前允许的温度[2-3]。燃烧室工作的好坏 ，直接影响该发动机的工作和性能 。由于燃气在燃烧室内燃烧，燃烧室承受着高温燃气的侵蚀，同时燃烧室急剧冷却和加热，燃烧室的温度梯度大，最大时周向温度差达到400℃，径向温差达到 250 oC E ，产生热应力 ；另-方面，燃烧室结构材料的性能(如疲劳强度)在高温下会改变，出现高温疲劳。所以，燃烧室是较容易破坏的部件.疲劳是其主要破坏模式，在设计时要重点关注。

本文基于 ANSYS软件。计算了某小型涡喷发动机最恶劣工作状态燃烧室的热应力分布：以该发动机0-工作-0”为燃烧室的载荷工况 。拟合得到燃烧室进出口温度分布.综合考虑热疲劳和高温疲劳对燃烧室疲劳寿命的影响，结合文献[7]的收稿日期：2013-05-28 修回日期：2013-06-06材料性能，提出-种工程估算涡喷发动机燃烧室寿命的近似方法。这种有限元计算热应力和结合手册估算燃烧室的寿命的工程方法具有-定精度，能判断燃烧室的疲劳寿命薄弱环节，通过优化设计避免不合理的寿命分布，也可为该涡喷发动机其它热端疲劳部件的寿命分析提供借鉴。

1 热应力计算某小型涡喷发动机燃烧室具有对称的结构特点，为简化计算 ，截取燃烧室的 1/10模型作为分析模型 ，如图 1所示。由于燃烧室的壁厚只有0.8mm，远小于其它尺寸。在 ANSYS软件中采用SHELL63壳单元进行模拟计算。燃烧室的有限元图 1燃烧室 1/10几何模型Fig.1 The I/10 geometry model of combustion chamber农业装备与车辆工程次曲线的规律。

2.1热疲劳循环次数估算表 1为 GH44材料 1200%固溶后，于不同温度循环试验时 1.5 mm厚板生成0.5 mm裂纹的热疲劳次数[ 。

表 1 GH44热疲劳次数Tab.1 GH44 thermal fatigue cycles℃ 700-20 800-20 90020 1000.-.20 1 100-.20 1200.-.20N/周 600 155 56 33 21 14比较图7、图8和表2数据，可知燃烧室使用56次左右，会出现0.5 mlTl左右的裂纹。

50 60 70 80 90 1oo转速百分tt/%图7燃烧室进出口温度变化规律Fig.7 The combustion chamber inlet and outlet temperatureU.U U. 1.U U.5 U.U转速倍数图8交变温度Fig.8 The graph of alternating temperature variation2。2 时效寿命估算根据文献[7]，H44时效裂纹扩展参数如表 2。

表 2 GH44时效裂纹扩展参数Tab.2 The aging crack growth parameters of GH44时效温度/℃时效热疲劳性能/mm4OOh 700h l Oo0h裂纹长 裂纹长 增宽 裂纹长 增宽 裂纹长 增宽表 2中的试样，在试验前已有O.43 mm的裂纹。对于燃烧室的交变温度，可取时效温度 900 oC的数据，进行近似分析。根据表 1热疲劳次数，燃烧室在使用 56次左右 ，已有 0.5mm左右的裂纹，则其后的裂纹扩展服从表3数据。

表3燃烧室裂纹扩展随时间变化规律/mmTab.3 The crack propagation rule changes with time/mm"lh]Oh 40h 70h lO0h温度 长J艾 长度 苋度增量 长度 苋崖增萤 长度 苋度增量9O0 0.43 O.60 .47 O.6O 1.42 0.52 .56表3中未给出：燃烧室满足900C'20%的温度循环、循环次数 Ⅳ满足 56周时，形成0.43 mm裂纹的时间t。因此时效寿命估算主要是求解t。

已知试验中与时间t相关的变量仅为裂纹长度 和宽度 d r则 -厂( ，d)。裂纹的长度 和宽度d是相关变量，dg(x)。则df(x，g(x))，即裂纹长度 xh(t)。根据表 2列出表 4数据。

表 4己知数据Tab.4 The known data for computer时间t/h 0 to 0400 to700 tolO00长度x/mm 0 0.43 0.6 0.6 0.52宽度d/mm 0. d d1.47 d1.42 d1 56假设裂纹长度的率 ，关于时间区问中值满足 Lagrange插值关系0.43-0- ，- (0.5to-to-850)(0.5to-to-550)(。0.6-0.43 t0 0 400(to200-to-850)(to200-to-550) -(0.5to-to-200)(0.5to-to-550)(0.52-0.6)- r 1、30000850-t0-200)(to850-to-550)则t0(1.2515x10 ：7.9488x10-Tt07.2292x104)0.43(2)令 t0y1.2515x10- ox 7.9488xlO-Tx 7.2292xlOx-0.43(3)则式(3)为-曲线 ，t。满足式(3)表示曲线的零点。令 yO，解方程(3)，得 to403.965 569 h，取整为 404 h。

3 结论1)燃烧室使用 56次左右，会出现0.5mm左右的裂纹。

2)假设裂纹长度的变化率关于时间区间中值满足 Lagrange插值关系时，燃烧室出现0.43 mm(下转第34页)瑚 咖 啪瑚咖 伽)I越赠咖 啪 鲫 伽 抛 o/L8 6 6 6 2 9 2 5 1 O l 1 0 0 O O 兮1 l 0 1 9 7 6 O 3 4 4 6 O O O 0 ∞ 卵l O l l 5 9 5 O 4 3 4 6O O O O 3 3 3 3 4 4 4 4 O 0 O O 如 ∞ ∞ ∞ 锨 砌 鲫 鲫34 农业装备与车辆工程 2013正.董jg：面唧避捺器蛊回时l司/s图7 ECEEUDC-LOW 循环工况Fig.7 ECE- -EUDC- -LOW driving cycle图8电池的充电电流Fig.8 Batery charging currents图 9电池的SOC值Fig.9 BaRery SOC value图 10制动能量回收曲线Fig.1 0 Brake enemy regenerion curve动能量回收效率为48.09%，总能量回收效率为22.11%。采用四轮轮毂电机驱动时，总能量回收效率高于20%，比前轮驱动的总能量回收效率高。

3结束语本文提出了-种满足四轮驱动电动汽车制动能量回收的优化控制策略，进行了制动能量回收系统的建模与仿真分析，仿真结果表明所提出的优化控制策略可以在保证制动安全的前提下，有效地回收制动能量.提高了电动汽车的能量利用率，有利于增加电动汽车续驶里程。