基于流场仿真的某型涡轮叶片的表面微结构分析

利用流场仿真和扫描电子显微镜观测的方法，对某型涡轮叶片工作前后的表面微形貌进行了分析，研究了高温高压环境对叶片表面形貌变化的影响。首先为了提高计算效率，根据叶片形式，建立了涡轮叶片流场的周期性对称CFD模型，并利用有限体积法对流场的温度和压力进行计算分析；然后利用扫描电镜对工作叶片的表面形貌进行观测，分析叶片表面微缺陷形式；最后根据仿真与试验观测结果，分析了叶片缺陷产生的原因和影响叶片表面微结构变化的因素。结果表明：叶片前缘温度达到最高的860 K，在几何结构和波系的共同作用下，叶片前后缘、叶尖、叶根附近流场流动特性复杂，流道内温度和压力分布不均匀；叶片后缘根部出现长约180μm的穿晶/沿晶混合模式的微裂纹，后缘叶尖处有长约30μm的夹杂物裂纹出现，这是叶片热应力、叶片表面金相转变、氧化、氢脆等共同作用的结果；应根据涡轮泵的实际任务情况对涡轮泵地面热试车程序进行合理的安排，尤其在关机阶段要考虑是否对涡轮叶片的冷却采取大气环境隔离措施。研究可为液体火箭发动机涡轮叶片寿命评估提供参考。