航空发动机涡轮转子叶片-盘耦合共振特性分析

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1、2010年10月沈阳航空工业学院学报第27卷第5期．JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringOct．2010V01．27No．5文章编号：1007—1385(2010)05—0006一05航空发动机涡轮转子叶片一盘耦合共振特性分析佟刚1乔永利1艾延廷2邵帅2李松金2(1．沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳110136；2．沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，辽宁沈阳110136)摘要：首先使用UG软件对某型航空发动机涡轮转子单个叶片和叶

2、片～轮盘进行三维实体建模；然后应用有限元一INSYS软件计算不同边界条件下单个叶片和叶片一轮盘在典型转速下的固有频率及振动特性；最后根据计算结果绘制Campbell图，并进行频率裕度和共振特性分析。关键词：航空发动机；单个叶片；涡轮叶片一盘结构；有限元法；振动特性中图分类号：V232文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．100r7—1385．2010．05．002航空发动机涡轮叶片E砰处的工作环境十分恶劣，同时承受较高的离心负荷、气动负荷、振动负荷等，容易产生破坏故障。统计表明，振动故障

3、占发动机总故障的60％以上，而叶片故障又占振动故障的70％以上。现代航空发动机研制发展过程中，随着优化设计技术的出现，叶片一轮盘的耦合振动明显地表现出来。因此，要将叶片、轮盘看成是一个动力耦合系统，从整体上对其动态特性进行研究。关于叶片一轮盘的振动特性分析，国内外较多的是把叶片和轮盘作为孤立元件分别进行研究，王文亮⋯等曾对固支的带冠叶片用动态子结构方法中的串接式加载技术分析，导出计算公式并验算了实例；张锦旧。将链式加载技术与群论算法结合，分析环向圈连带冠叶片的动力特性；朱梓根∞1将轮盘看作变厚度圆板计

4、算其振动特性。近期，一些学者作了叶片一轮盘耦合的振动分析，如KHADERNf4o把厚壳扭叶片简化为周向和径向梁模型来粗略估算叶片一轮盘系统的离心力刚度效应；刘廷毅∞1采用群论算法计算盘一片系统的动力特性，分析了盘一片组件的回转对称性。目前，对于带叶冠叶片一轮盘结构耦合振动的分析较少，且叶片一轮盘系统耦合振动研究均未考虑叶片和轮盘的结构形状、尺寸及离心负荷，榫头联接的形状、尺寸、接触关系、联接强度，叶冠结构形状、尺寸、设置位置等。本文首先对某型航空发动机涡轮单个叶片和收稿日期：2010—07—09作者简

5、介：佟刚(1964一)，男，辽宁葫芦岛人，教授，主要研究方向：故障诊断与状态监测，E—mail：tonggang@163．PA)m。叶片一轮盘进行三维实体建模；然后应用有限元软件计算不同边界条件下单个叶片和叶片一轮盘在典型转速下的固有频率及振动特性；最后根据Campbell图分析了单个叶片和叶片一轮盘前5阶固有频率的频率裕度。1有限元模型的建立1．1单个叶片建模本文依照某型航空发动机高压涡轮转子叶片的实际部件，建立单个叶片有限元模型，如图1(a)、(b)所示。(a)叶片各截面模型(b)单个叶片模型图1

6、单个叶片建模1．2涡轮叶片一盘结构建模在某型航空发动机高压涡轮转子叶片一盘结构模型的建立过程中，应用相似准则，将实际涡轮叶片一盘结构部件减缩尺寸，叶片数目简化为36片，对盘缘倒角、叶冠之间间隙、叶片榫头大小等均进行简化。考虑到涡轮盘的厚度对涡轮叶片一盘结构的影响，采用涡轮叶片一盘结构整体建模的形式，这样既保证计了计算分析结果的精度，又减轻了在有限元软件ANSYS中的计算量。建模第5期佟刚等：航空发动机涡轮转子叶片一盘耦合共振特性分析7如图2所示。(a)带叶冠模型(b)无叶冠模型图2涡轮一盘结构建模2有

7、限元计算及分析2．1单个叶片计算分析将UG中建立的实体模型以parasolid文件导出，并导人到ANSYS软件中。本文在单个叶片的计算分析中，根据部件的实际工作情况，分别考虑两种边界条件：(1)简单边界条件，在第一道榫齿工作面加载全约束；(2)复杂边界条件，在第一道榫齿工作面加载全约束及叶冠周向两侧工作面加载周向位移协调(即法向位移约束)。采用solid45单元、智能单元大小为4对单个叶片进行网格划分，单元数为66587。对叶片的第一道榫齿工作面进行全约束，计算其固有频率，结果如表l所示。表1简单边界

8、条件下单个叶片固有频率(Hz)列举部分位移振动云图如图3所示：圈3第二阶《左)及第四阶(右)对单个叶片模型加载复杂边界条件，计算其静频和典型转速下的动频，其结果如表2所示。表2复杂边界条件下叶片前五阶频率(Hz)n=0n=4500n=6200rg=9600n=12000阶次(r／rain)(r／min)(r／min)(∥min)(r／Inin)1992．62992．19992．10991．83991．5722236．02235．22234．22231．3