楊修偉,黃 磊

(大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116023)

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渦輪轉(zhuǎn)子葉片-輪盤的振動特性分析

楊修偉,黃 磊

(大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116023)

針對航空發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片-輪盤常出現(xiàn)故障的問題，分別對單個葉片和耦合葉片-輪盤(葉盤)在不同邊界條件下進行振動特性分析，為葉片-輪盤的設(shè)計優(yōu)化和振動安全性檢驗提供數(shù)值依據(jù)，并通過對比分析得出相關(guān)結(jié)論。

航空發(fā)動機；渦輪轉(zhuǎn)子；葉片-輪盤；振動分析

1 引 言

渦輪轉(zhuǎn)子葉盤是航空燃氣渦輪發(fā)動機的重要組件，工作時受較高的振動交變、離心負荷等作用，容易產(chǎn)生故障。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，振動故障率占渦輪發(fā)動機總故障率的60%左右，而葉片振動故障又占振動故障率的70%以上。

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

本文首先建立了某型號發(fā)動機渦輪葉片及其渦輪葉盤的三維立體模型，而后對模型進行相應(yīng)簡化，然后導入到ANSYS中，對其進行有限元模態(tài)分析，計算得出固有頻率及其對應(yīng)振型，結(jié)合振型特點，對其進行了分析，為以后葉片及葉盤的設(shè)計優(yōu)化以及振動安全性檢驗提供了重要的數(shù)值依據(jù)。

2 三維模型的建立

2.1單個葉片建模

該葉片原型為某型航空發(fā)動機第一級渦輪葉片，葉身為扭轉(zhuǎn)型曲面，按照實際部件進行相應(yīng)的簡化，利用三維設(shè)計軟件建立了葉片的實體三維模型，如圖1所示。

圖1 單個葉片模型

2.2 渦輪葉盤結(jié)構(gòu)建模

在渦輪葉盤的建模過程中，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，對輪盤的盤緣倒角、葉冠之間的間隙以及葉片榫頭的大小等均進行簡化。為了減小渦輪輪盤的厚度對渦輪葉盤結(jié)構(gòu)影響，特采用渦輪葉盤整體建模的方式，這樣既能減輕計算量，又保證了分析結(jié)果的準確性，參照文獻[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主要分為兩種，一種為帶冠渦輪葉盤，另一種為不帶冠渦輪葉盤，三維模型如圖2所示。

圖2 渦輪葉盤無冠(左)有冠(右)

3 有限元計算及分析

3.1 單個葉片計算分析

本文在單個葉片的計算分析中，根據(jù)部件的實際工作情況，分別考慮兩種邊界條件：簡單邊界條件，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)。對單個葉片進行網(wǎng)格劃分，最小的邊界尺寸為0.361180mm，節(jié)點數(shù)為42741，單元數(shù)為24518。首先，對葉片加載簡單約束并計算其固有頻率，結(jié)果如表2所示，部分位移振動云圖如圖3所示。

表2 簡單邊界條件下葉片的各階頻率(Hz)

圖3 簡單邊界條件第五階位移振動云圖

對單個葉片模型加載復雜邊界條件，計算其固有頻率，其結(jié)果如表3所示，部分位移振動云圖如圖4所示。

表3 復雜邊界條件下葉片前五階頻率(Hz)

圖4 復雜邊界條件第五階位移振動云圖

對比兩種邊界條件下的固有頻率，結(jié)果如表4所示。

表4 簡單與復雜邊界條件下固有頻率的對比

可以知道，隨著階次的增加，兩種邊界條件的相對頻差逐步降低，即葉冠對單個葉片固有頻率的影響降低；在復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，降低了因低階激勵而引起葉片共振的可能，故而復雜邊界下葉片的固有頻率要比簡單條件大得多。對比圖3和圖4，簡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，而復雜條件時，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 渦輪葉盤結(jié)構(gòu)計算分析

主要對渦輪葉盤結(jié)構(gòu)有限元簡化模型進行模態(tài)計算分析，以帶冠葉盤模型為例，計算葉盤的各階固有頻率。葉盤結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分情況如下：帶冠葉盤單元數(shù)為49014，節(jié)點數(shù)為90266。計算帶冠渦輪葉盤結(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，無冠渦輪葉盤固有頻率與有冠渦輪葉盤固有頻率的對比如表6所示。

表5 帶冠葉盤在不同邊界條件的各階頻率

表6 無冠葉盤與有冠葉盤在限制內(nèi)輪轂條件時各階頻率

階次有冠固有頻率(Hz)無冠固有頻率(Hz)相對頻率(%)15116.26010.717.4825140.96053.517.7535142.06055.417.7645315.56285.418.2555316.26286.618.26

圖5 帶冠葉盤在限制內(nèi)圈時第五階云圖

圖6 帶冠葉盤在限制內(nèi)輪轂時第五階云圖

圖7 無冠葉盤限制內(nèi)輪轂時第五階云圖

如圖5與圖6所示，分析的渦輪葉盤結(jié)構(gòu)的位移云圖呈現(xiàn)出傘狀、扇形發(fā)散狀以及復合振動的情況。從圖6所示的位移振動云圖可以看出，渦輪葉盤存在正交的模態(tài)，這也體現(xiàn)了典型盤類結(jié)構(gòu)模型的共有特征。如圖6和圖7所示，無冠葉盤與帶冠葉盤在相同的邊界條件下，無冠葉盤位移振動幅度要遠大于帶冠葉盤，這說明帶冠葉盤顯著增強了葉盤結(jié)構(gòu)的剛性，使得葉盤振動位移情況明顯減弱。此外，無冠葉盤的各階振型特點在帶冠葉盤的振型中都有體現(xiàn)。

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

根據(jù)表6的結(jié)果，可以看出，在相同的邊界條件時，無冠渦輪葉盤結(jié)構(gòu)的固有頻率要高于有冠葉盤，這也驗證了實際情況中葉盤結(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，有冠葉盤固有頻率不一定比無冠葉盤頻率高。

4 結(jié) 論

本文分析了某航空發(fā)動機高壓渦輪轉(zhuǎn)子單個葉片固有頻率、在復雜邊界條件下的動頻及振型和相對應(yīng)力分布特性，計算了渦輪葉盤有冠和無冠結(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)葉片在復雜邊界條件時，各階的固有頻率與簡單條件下相比有顯著的提高。由于復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)通過對無冠和有冠的渦輪葉盤分析可以得出，葉冠增加了葉盤的整體剛性，使得在相同的邊界條件下，有冠葉盤的位移應(yīng)變更小。此外，渦輪葉盤在限制內(nèi)圈時，渦輪葉盤的整體剛性提升較大，而單純地限制輪盤內(nèi)輪轂對于提高輪盤整體剛性影響不大。此外，由于受幾何尺寸、材料屬性等影響，相同的邊界條件下，有冠葉盤固有頻率不一定比無冠葉盤頻率高。

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

[2]張錦.環(huán)向圈連帶冠葉片的動態(tài)分析[J].航空學報,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-軸系統(tǒng)的耦合振動分析[J].燃氣渦輪試驗與研究,1996,(1):30-34.

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

[6]孟慶迪,羅貴火.某型發(fā)動機渦輪盤整體振動模態(tài)的有限元分析[J].振動工程學報,2004,17(5):113-115．

[7]羅澤明,鄭麗,丁偉.基于ANSYS的某型航空發(fā)動機渦輪葉片的振動特性分析[J].現(xiàn)代機械,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，大連理工大學碩士研究生，研究方向：機電一體化，機械設(shè)計及理論。

V232.4

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.004