压气机叶片轮盘系统振动特性分析与减振优化研究

发布时间：2016-07-21 21:59

1  绪论 

飞机在寻求更快、更高的同时，也给航空发动机提出了更高的性能指标，即承受高温、高压、高转速的载荷。发动机的工作可靠性和耐久性问题是一直困扰着高性能发动机的发展，其中叶片轮盘系统作为航空发动机的核心部件，由于叶盘系统工作状态的特殊性，往往会受到非定常因素的影响（压力场、不平衡激励和温度场），从而使叶片产生不稳定振动。它的耦合振动直接影响着发动机的正常工作，耦合振动会诱发转子叶片振动的高周疲劳破坏（Hing Cyclic Fatigue），从而使转子叶片发生疲劳失效，这是设计人员关心的主要问题[1]。例如美军飞机的发动机发生过多起叶片断裂事故，在 2015 年 9月和 12 月中国的歼 10 战机就发生两起发动机突然停车而导致坠机事件。美国军方报告显示 HCF 失效率占航空发动机总故障率的一半以上，在发动机研制和实际试车期间更易发生 HCF 问题。可见，HCF 故障极大威胁发动机安全性，HCF 故障具有突发性。因此，为了避免 HCF 故障发生，在设计时必须对叶盘系统的振动风险进行有效地预测和评估。 

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2  失谐叶片轮盘系统模态局部化特性分析 

2.1  叶片轮盘系统的振动模型 

虽然上述已对失谐系统模态局部化进行定性的研究，但要准确描述模态局部化程度，就必然对其进行定量化的研究，分析过程中通常需定义一个振动局部化因子。近些年来，不少学者在着重研究失谐系统的振动局部化程度时，给出了多种局部化因子的表达式。根据振动在失谐叶盘中传播的理论，一些学者将局部化因子定义为指数形式来描述振动幅值的衰减程度。从而可以定量化的描述各种系统参数对失谐系统模态局部化的影响程度。为了分析叶盘系统能量集中的程度。基于本文研究的集中参数模型，可采用叶片的模态振幅表示模态振动能量，通常叶片的振动能量与叶片位移平方成正比。对于多自由度叶片，叶片的振动能量可以采用欧几里德范数（Euclidean  norm）的形式来进行近似表示。

2.2  谐调系统振型特性 

研究谐调系统的固有特性，对于探知由失谐而造成叶盘系统模态局部化和振动响应局部化有着重要作用。非旋转态下叶盘结构的固有特性只取决于结构的材料特性、几何特性及边界条件，与其他因素无关。叶盘系统的模态振型是指结构在某阶频率下振动时，结构中各点振动位移的相对关系。在 Mtalab 中为了方便计算分析，将叶盘系统的各个结构参数进行无量纲化，具体参数如表 2.1 所示。图 2.2 为谐调系统前 12 阶叶片的模态振型。从图 2.2 中发现，谐调系统的模态振型表现出周期性并呈谐波变化，即叶片的模态振幅呈现正弦或余弦波的变化形式，随着模态阶次的增加叶片振型节径数也依次增加。

3  失谐叶片轮盘系统振动响应局部化及优化研究 .............. 21 

3.1  失谐叶片轮盘系统的描述 ................... 21 
3.2  失谐强度对叶片轮盘系统振动响应局部化的影响 ............... 24 
3.3 不同失谐叶片位置对系统振动响应局部化的影响 ............ 26 
4  叶片振动有限元分析 ............. 35
 4.1  叶片振动有限元分析 ......... 35 
4.2  温度对叶片频率的影响 ........... 42 
4.3  本章小结 ............ 43 
5  叶片轮盘系统振动有限元分析 ................ 44 
5.1  叶片轮盘整体模型建立 .............. 44 
5.2  叶片轮盘系统模态分析 ................ 46

5  叶片轮盘系统振动有限元分析 

5.1  叶片轮盘整体模型建立

本章通过建立叶片轮盘结构整体的三维模型，，利用有限元软件分析研究对叶片轮盘结构整体在谐调状态和失谐状态时振动特性。由于谐调叶盘结构为周期循环对称结构，因此在分析时为了节省计算资源采用循环对称方法。然而该方法对于失谐叶盘结构的研究就失效了，于是本文将采用动态子结构模态综合分析方法对其进行振动分析。为了探测叶盘结构整体的共振频率，本文对此进行谐响应分析。

5.2  叶片轮盘系统模态分析

一般子结构模态综合分析过程：依据相关理论对整体结构进行划分生产若干个子结构，然后对各个子结构进行单独分析并根据边界条件连接，最后把分析结果扩展到整个结构上。从而在节省计算空间的前提下实现对整体结构的分析。其中包括生成部分、使用部分和扩展部分。 生成部分是通过定义主自由度把子结构中的节点参数映射到主自由度上，将子结构的普通单元凝聚成一个超单元。 使用部分是将子结构与模型整体相连做出分析，使用部分求出的解是子结构完全解在主自由上的映射，即主自由度的完全解。 扩展部分是将主自由度的完全解扩展映射到子结构所有自由度，得到子结构整体的完全解。 
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6 结论 

本文针对压气机某级叶片轮盘振动问题进行研究，对其振动特性进行理论分析和对单个叶片及叶盘整体进行仿真分析。对本文的总结如下：（1）失谐引起模态局部化现象。谐调系统的振型呈现谐波变化，无局部化现象发生；一般情况，失谐使系统出现模态局部化，不同参数对其作用结果程度不一；失谐叶片位置交替变化频繁性对失谐系统模态局部化作用程度有限。（2）失谐对叶盘系统振动响应特性的影响。激励阶次对谐调系统振动的影响表现为周期性，失谐打破了这种周期性规律，失谐增加了系统的共振峰值，共振区域变宽，失谐叶片位置交替变化越频繁，共振区域有较小幅度增宽，峰值大小也增大有限。（3）合理的叶片布置能够减轻失谐系统局部化程度。因此利用智能算法对叶片布局进行优化，可以减轻失谐系统局部化程度，但不能消除局部化现象。（4）单个叶片进行动力学仿真分析。在力学性能中，叶片受到的气动载荷产生的气动弯曲应力抵消了一部分离心载荷产生的离心弯曲应力；温度升高使得叶片的刚度降低，这样固有频率将有所减小。

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参考文献（略）

本文编号：74574