某型离心叶轮空气发生器有限元分析

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1、某型离心叶轮空气发生器有限元分析Fin．1eElementAnalysisonCentrifugalImpellerTypeAirGenerator■叶文龙罗沿进桂敏／襄阳航泰动力机器厂摘要：针对某空气发生器压气机离,DDt轮在工作时发生叶尖掉块的故障．采取有限元分析方法．分析故障原因并采取有针对性的措施对其进行控制，以达到提高产品质量的目的。关键词：离,DDt轮：有限元：模态；加工Keywords：centrifugalimpeller；finiteelement；modal；machining1背景描述某空气启动发生器压气机离心叶轮，其结构为整体式，

2、其转速高达50500转／分，是高速旋转关键部件。它由14片叶片组成，空气经叶片旋转轴上端进入，经高速旋转压缩，从叶片底端径向流出，流出的空气处于高压状态。其整体结构如图l所示。但在工作时易发生叶尖掉块的故障，为此分析其整体结构在工作状态下的受力情况，为此类叶片加工工艺的控制提供理论依据。图1离·心叶轮整体结构图而有限元法是把一个弹性连续体划分为有限大小的、彼此只在有限个点连接的有限单元组合体来研究问题的方法，它是随着计算机技术的发展而出现的一种根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法。对于边界条件和结构形状都很不规则的复杂机械结构，有限元法是一种非常有

3、效的结构分析方法。该方法灵活性大，能得到与真实情况无限接近的解。本次采用NX—Nastran有限元软件进行分析。2前处理及单元划分离心叶轮的叶片材料为2A70，属性如表l所示。采用4节点4面体进行单元划分，单元大小设置为1(计算机会提供一个推荐的单元大小，实际中可根据需要进行修改，理论上单元划分越小计算精度越高，但对计算机性能要求也越高)，划分好的有限元模型如图2所示。表12A70的材料属性r]Lj图2有限元模型3边界条件的确定边界条件约束主要针对离心力综合分析时的约束和加载，计算自由模态不需要约束和加载。离心力综合分析时的约束：在涡轮的两端连接中心轴的

4、位置约束其移动位移，放开旋转位移，模拟涡轮的实际约束状态。离心力综合分析时的加载：在涡轮旋转中心加从上往下看的顺时针方向的50500r／min的转速；在14片叶片的迎风面加载方向为叶面法相的1．05MPa(标准大气压的10倍)的压强。加载好的模型如图3所示。4有限元分析1)离心力综合分析在结构状态下，主要看其位移和r]L—j图3载荷加载图—嚣Ⅱ盈疆舸空维傍与工程J4气AVIATIONMAINTENANCE8ENGINEERING。一应力状态，所以设置输出应力和位移选项。2)自由模态分析Nx—NaStr彻自由模态分析时需要设置模态提取方法，优先采用兰索斯法

5、；然后设置输出模态的阶次，默认状态下是10阶，前6阶模态为刚体模态，它可以验证自由模态分析的正确性，即在正确的情况下，前6阶固有频率都为零。第7阶以上的模态为弹性体模态，也是通常考察结构动态特性时用到的模态。所以，这里所分析出的第7阶模态是通常所说的第一阶模态，第8、9、10阶模态即为通常的第二、三、四阶模态。5后处理结果1)离心力综合结果导入计算结果，根据位移云图和应力云图能直观地看出位移或应力最大处，从而根据这些结果进行结构设计或改进。为了比较分析，除原模型外还计算了叶片加厚为0．1mm和0．2mm时的位移云图以及对比公差范围分别加厚0．04mm和减

6、小0．04mm时的位移云图。如图4至图8所示。r：图4原位移云图图5叶片加厚0．1mm的位移云图44I颤空维修与工程蕊Z曩。’AVIATIONMAINTENANCE＆ENGINEERING图6叶片加厚0．2mm的位移云图图7对比公差范围加厚0．04ram的位移云图图8对比公差范围减薄0．04mm的位移云图譬■．。．．。Ii：图9原涡轮应力云图整体叶轮的应力云图如图9所示。从云图可以看出叶轮应力集中位置主要在叶轮底部的R角处。从位移云图可以看出，变形量最大的位置出现在叶尖位置，即实验时最容易脱落的位置。其加厚后的位移变化百表2叶片位移变化百分比表目弋墓$e

7、lutiaIH删国攮式1·1791e-003Hz国模式2，1．164r0∞№固梗式3·●786e-004№田攫式4，1．047e-003№田模式s，1218e-003Ml回攮式B，1．&,34qr-003Ml梗式8-I+364,'·003Ht横罩c9，_41l·+o∞Hl模式tO，‘112t+o∞Mz曰≮至Sol吐inl取默srE雌固棋式I．●．300r003MI国攘罩c2，3．180r003№回覆式3·2．810r003l【I固梗式●，1．955r003Ml国梗式5-3056,一003Nz自镬斌8·3．909r0031lz固梗式8·5．061e懈№图梗

8、式9·82∞棚Ht固模式10·9．s伯枷’【z图10前四阶固有频率分比如表2所示