渦輪轉(zhuǎn)子葉片-輪盤(pán)的振動(dòng)特性分析

楊修偉,黃 磊

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

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渦輪轉(zhuǎn)子葉片-輪盤(pán)的振動(dòng)特性分析

楊修偉,黃 磊

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片-輪盤(pán)常出現(xiàn)故障的問(wèn)題，分別對(duì)單個(gè)葉片和耦合葉片-輪盤(pán)(葉盤(pán))在不同邊界條件下進(jìn)行振動(dòng)特性分析，為葉片-輪盤(pán)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和振動(dòng)安全性檢驗(yàn)提供數(shù)值依據(jù)，并通過(guò)對(duì)比分析得出相關(guān)結(jié)論。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；渦輪轉(zhuǎn)子；葉片-輪盤(pán)；振動(dòng)分析

1 引 言

渦輪轉(zhuǎn)子葉盤(pán)是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組件，工作時(shí)受較高的振動(dòng)交變、離心負(fù)荷等作用，容易產(chǎn)生故障。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，振動(dòng)故障率占渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)總故障率的60%左右，而葉片振動(dòng)故障又占振動(dòng)故障率的70%以上。

關(guān)于葉盤(pán)的振動(dòng)特性分析，國(guó)內(nèi)外較多的是把葉片和輪盤(pán)作為孤立元件分別進(jìn)行研究，如王文亮[1]等利用串接式加載技術(shù)分析了固定支撐機(jī)構(gòu)的帶冠葉片；張錦[2]在對(duì)帶冠葉片分析時(shí)，利用了群論算法和鏈?zhǔn)郊虞d技術(shù)相結(jié)合的方法，這種分析方法忽略了葉片與輪盤(pán)的耦合作用，不能反映葉片真實(shí)振動(dòng)特性。在葉盤(pán)耦合的振動(dòng)分析方面，有許多學(xué)者做了工作，如HADER[3]將厚殼扭曲的葉片簡(jiǎn)化為周向與徑向的梁模型以估算葉盤(pán)離心力的剛度效應(yīng)；劉廷毅[4]采用群論算法分析葉盤(pán)耦合動(dòng)力特性的回轉(zhuǎn)對(duì)稱性。為避免葉盤(pán)振動(dòng)故障的出現(xiàn)，有必要在葉片和輪盤(pán)的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行振動(dòng)固有特性分析，分析振型、固有頻率、振動(dòng)應(yīng)力分布[5-6]。

本文首先建立了某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片及其渦輪葉盤(pán)的三維立體模型，而后對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，然后導(dǎo)入到ANSYS中，對(duì)其進(jìn)行有限元模態(tài)分析，計(jì)算得出固有頻率及其對(duì)應(yīng)振型，結(jié)合振型特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了分析，為以后葉片及葉盤(pán)的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及振動(dòng)安全性檢驗(yàn)提供了重要的數(shù)值依據(jù)。

2 三維模型的建立

2.1單個(gè)葉片建模

該葉片原型為某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)渦輪葉片，葉身為扭轉(zhuǎn)型曲面，按照實(shí)際部件進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，利用三維設(shè)計(jì)軟件建立了葉片的實(shí)體三維模型，如圖1所示。

圖1 單個(gè)葉片模型

2.2 渦輪葉盤(pán)結(jié)構(gòu)建模

在渦輪葉盤(pán)的建模過(guò)程中，按照相似性的原則，按照一定比例縮小繪制模型。在不影響有限元分析結(jié)果的前提下，對(duì)輪盤(pán)的盤(pán)緣倒角、葉冠之間的間隙以及葉片榫頭的大小等均進(jìn)行簡(jiǎn)化。為了減小渦輪輪盤(pán)的厚度對(duì)渦輪葉盤(pán)結(jié)構(gòu)影響，特采用渦輪葉盤(pán)整體建模的方式，這樣既能減輕計(jì)算量，又保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，參照文獻(xiàn)[7]中葉片工作的屬性，葉片屬性如表1所示。

表1 葉片屬性

本文所分析的渦輪葉盤(pán)主要分為兩種，一種為帶冠渦輪葉盤(pán)，另一種為不帶冠渦輪葉盤(pán)，三維模型如圖2所示。

圖2 渦輪葉盤(pán)無(wú)冠(左)有冠(右)

3 有限元計(jì)算及分析

3.1 單個(gè)葉片計(jì)算分析

本文在單個(gè)葉片的計(jì)算分析中，根據(jù)部件的實(shí)際工作情況，分別考慮兩種邊界條件：簡(jiǎn)單邊界條件，在第一道榫齒工作面(即葉片與輪轂的接觸工作面)加載全約束；復(fù)雜邊界條件，在第一道榫齒工作面加載全約束及葉冠位置周向兩側(cè)工作面加載周向位移協(xié)調(diào)(即法向位移約束)。對(duì)單個(gè)葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最小的邊界尺寸為0.361180mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為42741，單元數(shù)為24518。首先，對(duì)葉片加載簡(jiǎn)單約束并計(jì)算其固有頻率，結(jié)果如表2所示，部分位移振動(dòng)云圖如圖3所示。

表2 簡(jiǎn)單邊界條件下葉片的各階頻率(Hz)

圖3 簡(jiǎn)單邊界條件第五階位移振動(dòng)云圖

對(duì)單個(gè)葉片模型加載復(fù)雜邊界條件，計(jì)算其固有頻率，其結(jié)果如表3所示，部分位移振動(dòng)云圖如圖4所示。

表3 復(fù)雜邊界條件下葉片前五階頻率(Hz)

圖4 復(fù)雜邊界條件第五階位移振動(dòng)云圖

對(duì)比兩種邊界條件下的固有頻率，結(jié)果如表4所示。

表4 簡(jiǎn)單與復(fù)雜邊界條件下固有頻率的對(duì)比

可以知道，隨著階次的增加，兩種邊界條件的相對(duì)頻差逐步降低，即葉冠對(duì)單個(gè)葉片固有頻率的影響降低；在復(fù)雜邊界條件下加載的葉冠周向兩側(cè)工作面的法向約束，明顯提高了葉片的固有頻率，降低了因低階激勵(lì)而引起葉片共振的可能，故而復(fù)雜邊界下葉片的固有頻率要比簡(jiǎn)單條件大得多。對(duì)比圖3和圖4，簡(jiǎn)單條件下葉片振型的位移變形主要集中在葉身的中上部且變形較大，而復(fù)雜條件時(shí)，葉片振型的位移變形主要集中在葉身的中部且變形較小，而且由于葉根第一道榫齒工作面上加載了全約束，因此存在應(yīng)力集中。

3.2 渦輪葉盤(pán)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

主要對(duì)渦輪葉盤(pán)結(jié)構(gòu)有限元簡(jiǎn)化模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析，以帶冠葉盤(pán)模型為例，計(jì)算葉盤(pán)的各階固有頻率。葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分情況如下：帶冠葉盤(pán)單元數(shù)為49014，節(jié)點(diǎn)數(shù)為90266。計(jì)算帶冠渦輪葉盤(pán)結(jié)構(gòu)在不同邊界條件的固有頻率，其結(jié)果如表5所示。在相同的邊界條件時(shí)，無(wú)冠渦輪葉盤(pán)固有頻率與有冠渦輪葉盤(pán)固有頻率的對(duì)比如表6所示。

表5 帶冠葉盤(pán)在不同邊界條件的各階頻率

表6 無(wú)冠葉盤(pán)與有冠葉盤(pán)在限制內(nèi)輪轂條件時(shí)各階頻率

階次有冠固有頻率(Hz)無(wú)冠固有頻率(Hz)相對(duì)頻率(%)15116.26010.717.4825140.96053.517.7535142.06055.417.7645315.56285.418.2555316.26286.618.26

圖5 帶冠葉盤(pán)在限制內(nèi)圈時(shí)第五階云圖

圖6 帶冠葉盤(pán)在限制內(nèi)輪轂時(shí)第五階云圖

圖7 無(wú)冠葉盤(pán)限制內(nèi)輪轂時(shí)第五階云圖

如圖5與圖6所示，分析的渦輪葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的位移云圖呈現(xiàn)出傘狀、扇形發(fā)散狀以及復(fù)合振動(dòng)的情況。從圖6所示的位移振動(dòng)云圖可以看出，渦輪葉盤(pán)存在正交的模態(tài)，這也體現(xiàn)了典型盤(pán)類結(jié)構(gòu)模型的共有特征。如圖6和圖7所示，無(wú)冠葉盤(pán)與帶冠葉盤(pán)在相同的邊界條件下，無(wú)冠葉盤(pán)位移振動(dòng)幅度要遠(yuǎn)大于帶冠葉盤(pán)，這說(shuō)明帶冠葉盤(pán)顯著增強(qiáng)了葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的剛性，使得葉盤(pán)振動(dòng)位移情況明顯減弱。此外，無(wú)冠葉盤(pán)的各階振型特點(diǎn)在帶冠葉盤(pán)的振型中都有體現(xiàn)。

根據(jù)表5的結(jié)果，可以看出，渦輪葉盤(pán)在限制內(nèi)圈的邊界條件時(shí)，與限制內(nèi)輪轂邊界條件相比，輪盤(pán)的整體頻率有較大提高。這主要是由于葉盤(pán)被限制內(nèi)圈時(shí)，導(dǎo)致渦輪葉盤(pán)的整體剛性提升。同時(shí)， 渦輪葉盤(pán)限制內(nèi)圈與限制內(nèi)輪轂的各階相對(duì)頻率逐步增大，且葉盤(pán)在限制內(nèi)輪轂時(shí)，各階頻率變化不大，這表明單純地限制輪盤(pán)內(nèi)輪轂對(duì)于提高輪盤(pán)整體剛性作用不大。

根據(jù)表6的結(jié)果，可以看出，在相同的邊界條件時(shí)，無(wú)冠渦輪葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的固有頻率要高于有冠葉盤(pán)，這也驗(yàn)證了實(shí)際情況中葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的固有頻率受幾何尺寸、材料屬性、載荷等因素的影響，相同的邊界條件下，有冠葉盤(pán)固有頻率不一定比無(wú)冠葉盤(pán)頻率高。

4 結(jié) 論

本文分析了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子單個(gè)葉片固有頻率、在復(fù)雜邊界條件下的動(dòng)頻及振型和相對(duì)應(yīng)力分布特性，計(jì)算了渦輪葉盤(pán)有冠和無(wú)冠結(jié)構(gòu)在不同邊界條件下的固有頻率以及各階振型，得出如下結(jié)論：

(1)葉片在復(fù)雜邊界條件時(shí)，各階的固有頻率與簡(jiǎn)單條件下相比有顯著的提高。由于復(fù)雜邊界條件下增加了葉片周向工作面的法向位移約束，增加了葉片整體的結(jié)構(gòu)剛性，使得葉片的固有頻率大大提高，有效降低了因低階次激振力而引起葉片共振的可能。

(2)通過(guò)對(duì)無(wú)冠和有冠的渦輪葉盤(pán)分析可以得出，葉冠增加了葉盤(pán)的整體剛性，使得在相同的邊界條件下，有冠葉盤(pán)的位移應(yīng)變更小。此外，渦輪葉盤(pán)在限制內(nèi)圈時(shí)，渦輪葉盤(pán)的整體剛性提升較大，而單純地限制輪盤(pán)內(nèi)輪轂對(duì)于提高輪盤(pán)整體剛性影響不大。此外，由于受幾何尺寸、材料屬性等影響，相同的邊界條件下，有冠葉盤(pán)固有頻率不一定比無(wú)冠葉盤(pán)頻率高。

[1]王文亮,陳向均,李祚長(zhǎng),等.串接式BENFIELD對(duì)接加載約束子結(jié)構(gòu)法-帶冠渦輪葉片和壓氣機(jī)葉片的動(dòng)力分析[J].宇航學(xué)報(bào),1984,(4):12-14.

[2]張錦.環(huán)向圈連帶冠葉片的動(dòng)態(tài)分析[J].航空學(xué)報(bào),1991,(9):474-481.

[3]HADER N.Shaft flexibility effects on the forced response of a bladed-disk assembly[J]. Mechanical Engineering Department,1988,(6):102-109.

[4]劉廷毅.葉片-輪盤(pán)-軸系統(tǒng)的耦合振動(dòng)分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究,1996,(1):30-34.

[5]伍登峰,張松林.某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤(pán)-葉耦合共振特性分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2004,30(1):55-58．

[6]孟慶迪,羅貴火.某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)整體振動(dòng)模態(tài)的有限元分析[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2004,17(5):113-115．

[7]羅澤明,鄭麗,丁偉.基于ANSYS的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的振動(dòng)特性分析[J].現(xiàn)代機(jī)械,2014,(02):36-39.

Vibration Characteristic Analysis of Turbine Rotor Blade-Wheel

Yang Xiuwei, Huang Lei

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China)

In order to solve the failures of turbine rotor blade-wheel of aero-engine, the vibration characteristics of singer blade and blade-wheel under different boundary conditions are analyzed to provide a numerical basis for vibration safety inspection and design optimization of blade-wheel. Lastly, the relevant conclusions are drawn through the comparative analysis.

aero-engine; turbine rotor; blade-wheel; vibration analysis

2016-06-16

楊修偉，男，山東省沂南縣人，大連理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

V232.4

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.004