压气机动叶片预变形设计研究

发布时间：2020-05-28 00:45

【摘要】：燃气轮机压气机的叶片结构性能会直接影响整机的性能、可靠性及经济性。分析叶片在工作状态中所受的应力及变形情况对于叶片的设计、整机性能的调试和稳定性预测都有重要意义。叶片预变形设计技术的应用是以设计加工叶片的工作状态与叶轮机械内部的工作状态相吻合为目的,以期达到部件及整机性能的设计要求。文章分别以某船用燃气轮机压气机加零级叶片及航空涡轮风扇发动机风扇叶片为对象,结合工程实际应用ANSYS商业软件,针对压气机动叶片的强度分析和预变形过程进行多物理场耦合数值仿真研究,论文主要针对静态/工作叶态叶片的变形过程进行分析,探索叶片静态/工作叶态的各种相关参数及规律变化。具体来说,主要开展了以下工作:采用时域的流固耦合方法分别对某压气机前加级叶片和某涡扇发动机风扇叶片模型进行三维数值模拟,通过固体域和流体域连续区域的离散化和构造插值函数求解各自的动力学方程,在流固耦合的交界面上实现物理信息的传递,分析叶片在气动力和离心力共同作用下的流场模拟,以及叶片在多种载荷作用下的强度与变形结果,并通过分析得出该结果与叶片所用材料物性参数、工作状态参数的关系;以两种叶片在离心气动载荷的综合作用下产生的应力和变形数据为基础,分别对两种叶片进行叶片的静态/工作叶态叶型求解。结果表明在叶片预变形过程中,压气机前加级动叶片和涡扇发动机风扇叶片预变形过程中变形总量的变化规律近似一致,前8次、特别是前5次迭代过程中收敛残差变化显著,变形量的计算较为直观;第12次迭代之后变形量差值的变化已经趋于收敛尺度,从这时开始之后的迭代已经趋向于非线性的变化规律;在整个叶片最大残差均满足收敛条件时即认为完全收敛,此时的静态叶型即为所求的预变形叶片模型。最后介绍一种基于叶片截面位移-几何特征角度的预变形优化设计方法,将理论设计叶片多个截面位置处的空间位移变量转变为几个特征角度参数,包含截面叶型安装角度、几何进口及几何出口角度,依据几何特征角度转换扭曲经过反复迭代得到最终加工冷态叶片及预变形热态叶片,并通过数值分析手段验证该预变形优化方法的有效性。
【图文】：

图 1.1 LEAP-X1C 高涵道比涡扇发动机的设计之重点和难点之一便是叶片的结构和强度设计。由于叶流对叶片产生压力使叶片转动做功，而叶片的各种形状和结构流场以及整机的各种流量、效率参数都会产生相当大的影响，，

叶片的变形分析，对比变形后的工作叶型和原始设计。结果表明：转速对叶片反扭的影响最显著，气动工三种因素和叶片反扭的关系，与其和叶片静变形量的关作叶态叶型在同一平面内的位置参照示意图。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK473

【参考文献】

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本文编号：2684423