某型渦噴發動機壓氣機結構改進

夏楊，王海朋

（南京模擬技術研究所，江蘇南京 210016）

0 前言

壓氣機是航空渦噴發動機的重要組成部件，它的主要功用是提高流過它的空氣總壓［1-2］。離心式壓氣機可采用分體式結構，由導風輪和擴壓輪組合而成［3-4］。某微型渦噴發動機的壓氣機采用整體加工而成，如圖1所示。在輪轂中心開孔，以便嵌入高速起發電機轉子件，達到發電機與壓氣機一體化設計。從發電機功率最大化需求而言，希望開孔直徑越大越好，但受到輪盤強度限制。因此，需要對壓氣機零件進行強度和振動校核。

圖1 整體式壓氣機

本文計算了不同開孔直徑的輪盤應力分布，并優選出一種整體式壓氣機的設計方案。此外，對高速旋轉的壓氣機而言，振動也是設計需要考慮的動力學問題。基于ANSYS軟件，計算該方案的壓氣機在不同轉速下的固有頻率，得到其共振曲線，進而判斷該設計的合理性。

1 強度分析

1.1 有限元模型

發動機工作時，壓氣機高速旋轉，受到離心力場作用，葉片產生較大的拉伸、彎曲和扭轉應力。氣流在壓氣機中通過，產生氣動力，氣動力會產生葉片彎曲和扭轉應力。其次，由于壓氣機不同部位溫度分布有一定差異，還會產生局部熱應力。為簡化計算，抓住影響壓氣機強度的主要載荷，本次設計計算中主要考慮了離心力和溫度場耦合影響。

整體式壓氣機有限元計算模型如圖2所示，計算時，在壓氣機與主軸連接的孔面上施加固定約束，整體施加轉速載荷和溫度載荷。

圖2 壓氣機有限元計算模型

1.2 計算結果

采用上述有限元模型進行計算，得到整體式帶開孔壓氣機上的應力分布情況。圖3所示為開孔處壁厚3.5 mm時的計算結果，最大應力約為284 MPa，大于材料屈服強度，考慮通過增加壁厚的措施來提高該區域的強度性能。

分別對壁厚為 4.5 mm，5.5 mm，6.5 mm 和 7.5 mm的情況進行計算，最大應力隨壁厚變化曲線如圖4所示。壓氣機的應力范圍為120 MPa～270 MPa，壓氣機取強度極限安全系數 n=4 ～6［5］。

2 振動計算

振動是旋轉機械設計需要考慮的動力學問題之一，壓氣機結構故障絕大多數是由于振動所引起［5-6］。工程上計算葉片動頻率的方法很多，常見的有能量法、數值解法、傳遞矩陣法和有限元法，文獻［5］中的葉片動頻率計算:

式中:fD——葉片動頻率;

f——葉片靜頻率;

n——轉速;

B——動頻率系數，是葉片結構和彈性線變化的函數。

式（1）中動頻率計算的前提是假設葉片的輪盤為絕對剛性盤，葉片的振動不受盤的影響。實際上，某壓氣機是整體加工而成，薄盤部分質量或多或少參與了振動，并與葉片有振動的耦合，因此，單純的葉片振動方程不能準確描述該渦噴發動機壓葉輪的振動特性;而且，按式（1）計算時，動頻率系數B的獲得也是比較復雜的。在有限元軟件中，可以很方便地解決這個問題，如ANSYS軟件只要在邊界條件中，輸入轉速即可計算壓氣機在不同轉速下的動頻率。

圖5為兩個典型振動。本文利用靜強度計算的有限元模型，計算出從0～1.2倍滿轉速下的壓氣機固有頻率。模態計算時模型約束為將軸孔處的軸向及徑向位移限制為零，只有旋轉自由度，模型載荷為繞軸的旋轉速度。表1給出了0轉速和額定轉速下的前20階固有頻率，圖6為壓氣機共振圖。從中看出，隨著轉速的不斷增大，壓氣機剛性也在增加，固有頻率不斷增大，其固有頻率主要集中在3 000 Hz和6 500 Hz兩個范圍，振型較為復雜。這是由于壓氣機葉片和輪盤、軸等的質量相差不大，壓氣機軸及盤對葉片振動頻率有影響，一方面，薄盤部分質量參與了振動;另一方面，盤葉軸行成一個耦合振動體。

表1 壓氣機在0轉速和額定轉速（ω）下前20階固有頻率 Hz

圖6 共振圖

3 結論

計算了離心力和溫度場作用下的壓氣機幾種方案強度，優選設計方案;并對優選方案進行動力學設計，得到轉子共振圖。從圖中可以看出，壓氣機避開了共振頻率，該方案的壓氣機已經成功應用于某型渦噴發動機，強度和振動滿足發動機總體要求，這種壓氣機整體強度和固有特性分析方法，可以推廣到其他轉子件的設計與分析。

本文強度計算過程時，沒有考慮壓氣機的頻率和動態響應對其疲勞強度的影響;動特性計算時，雖然考慮了輪盤和離心力對固有頻率的影響，但沒有考慮溫度對固有頻率的影響;這些是以后計算中要進一步開展的工作。

［1］彭澤琰.航空燃氣輪機原理［M］.北京:國防工業出版社，2000.

［2］侯曉春.高性能航空燃氣輪機燃燒技術［M］.北京:國防工業出版社，2002.

［3］（蘇）г.C.斯庫巴切夫斯.航空燃氣渦輪發動機零件結構與設計［M］.北京:國防工業出版社，1992.

［4］黃治國，單鵬，王延榮.微型渦噴發動機結構設計研究［J］.北京航空航天大學學報，2004，30（3）:206-209.

［5］宋兆泓主編.航空燃氣渦輪發動機強度計算［M］.北京:北京航空學院出版社，1988.

［6］楊建.基于ANSYS的離心壓氣機葉輪振動特性分析［D］.大連:大連理工大學，2011.