航空发动机叶片振动可靠性分析及优化设计

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1、兰州交通大学毕业设计目录一绪论1（一）航空发动机分类1（二）涡轮风扇喷气发动机11.基本工作过程12.航空发动机压气机2（三）航空发动机压气机叶片21.压气机叶片基本结构22.叶片振动原因及危害4（四）航空发动机工作可靠性与CAE应用41.航空发动机可靠性特征52.航空发动机CAE应用6二叶片静力分析7（一）有限元基本思想与模型建立71.有限元基本思想72.有限元模型建立7（二）叶片静力分析81.叶片模型静力简化82.静力分析设置103.结果分析11三利用ANSYSWorkbench对叶片进行模态分析12（一）模态分析简介121.模态分析发展及原理简介12

2、2.模态分析的作用12（二）发动机叶片振动分析131.WB中模态分析操作步骤132.谐波指数143.结果分析15四叶片结构优化设计19（一）ANSYSWB优化设计191.ANSYSWB设计优化简介1936兰州交通大学毕业设计2.WB下优化设计基本操作20（二）频率目标下的优化设计221.叶片前3阶模态参数与各变量关系图222.叶片综合优化273.航空发动机叶片新技术32致谢34参考文献3536兰州交通大学毕业设计一、绪论1903年12月17日，美国工程师莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气的飞行器的飞行。这使得几千年来由少

3、数人从事的对飞行事业的探索在后来的百年发展中形成对世界政治、军事、经济和技术以致人们的生活方式都有着重要影响的航空业。对于航空飞行器来说最重要的就是航空动力装置，航空动力装置的功能是为航空器提供动力，推动航空器前进，所以航空动力装置也称为航空推进系统。航空发动机中由共振引起的叶片疲劳损伤故障是多发性的常见故障，目前由于我国航空发动机低压压气机工作叶片长、高负荷并要求有较强的抗冲击损伤能力。因此，研究我国航空发动机叶片振动可靠性的理论和技术已是一项热门的项目。（一）航空发动机分类航空发动机常见的分类原则可以分为按空气是否参与发动机工作和发动机产生推进动力的原

4、理两种。按发动机是否须空气参加工作，航空发动机又可分为吸空气发动机和非吸气发动机。按产生推进动力的原理不同，飞行器的发动机又可分为间接反作用力发动机和直接反作用力发动机两类[8]。目前，世界各航空产品生产商采用的发动机种类有：活塞式发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇喷气发动机、冲压喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、脉动喷气发动机。本文所分析的航空发动机叶片参考于普惠公司于1982年研制生产的PW4000型涡轮风扇喷气式发动机低压压气机工作叶片。（二）涡轮风扇喷气发动机1.基本工作过程涡轮风扇喷气发动机简称涡扇发动机，通常主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管

5、组成，部分发动机的涡轮和尾喷管之间还有加力燃烧室。工作时，发动机首先从进气道吸入空气，随后高压气流进入燃烧室。燃烧室的燃油喷嘴喷出油料，与空气混合后点火，产生高温高压燃气，向后排出。燃气在尾喷管中继续膨胀，然后以很高的速度从尾部喷口向后排出[12]36兰州交通大学毕业设计。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，从而产生了对发动机的反推力，推动飞机向前飞行。高温高压燃气向后流过涡轮时，部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，驱动涡轮旋转。由于涡轮同压气机装在同一条轴上，因此也驱动压气机旋转，从而反复的吸入、压缩空气。由于飞行速度是变化的，而压气机对于进气速度有着严

6、格要求，因而进气道必需可以将进气速度控制在合适的范围，这就对压气机以及压气机叶片的工作能力有了新的要求。图1.1涡轮喷气发动机工作过程图2.航空发动机压气机压气机顾名思义，就是用于提高吸入空气的压力。也可以提供发动机工作时所需要的压缩空气，同时为座舱增压、涡轮散热和发动机的启动提供压缩空气。在航空涡轮发动机中，一般采用三种基本类型的压气机：轴流式、离心式和混合式[12]。其中轴流式压气机具有增压比高、效率高、单位面积空气流量大、迎风阻力小等优点，在相同外廓尺寸条件下可获得更大的推力。因此，在航空涡轮燃气发动机上，特别是大、中推力发动机上，普遍采用轴流式压气

7、机。（三）航空发动机压气机叶片航空发动机是依靠众多的叶片完成对空气的压缩，并在燃烧室加热膨胀，以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进。叶片是一种特殊的零件：它的数量多、形状复杂、力学要求高、加工难度大而且是故障多发的零件，一直以来是各发动机厂商研究生产的关键，因此对其投入的人力、物力、财力都是比较大的。而且国内外发动机厂家正以最大的努力来提高叶片的性能，生产能力及质量等各方面满足更高需求的高性能航空发动机叶片。36兰州交通大学毕业设计1.压气机叶片基本结构图1.2叶片几何模型图i—进气攻角v—安装角β1k—进气构造角t—栅距β1—进气气流角Cmax—最大

8、厚度β2k—排气构造角Rq—前缘圆半径β2—排气气流角Rn—后缘圆