二代單晶渦輪葉片振頻分析

崔智勇 李曙光 龍波 苗國磊

摘? 要：采用ANSYS軟件對某型航空發(fā)動機單晶渦輪葉片的振頻進行了分析，在有限元模型的基礎(chǔ)上加載邊界條件及約束關(guān)系，計算出葉片在設(shè)計工況下的振動頻率。設(shè)計評估葉片振動頻率，避開由于重要激勵因素引起的振動。評估替代材料的可行性。

關(guān)鍵詞：ANSYS;單晶渦輪葉片;振頻分析

1 引言

目前，現(xiàn)役航空發(fā)動機單晶渦輪葉片，由于葉片短，材料密度大，振動頻率高，這種新型材料要適應(yīng)高性能發(fā)動機的設(shè)計要求，設(shè)計需評估替代材料葉片的振動頻率，避開由于重要激勵因素引起的振動和共振，對單晶渦輪葉片開展振動特性計算分析。

2 理論基礎(chǔ)

其中[M]為質(zhì)量矩陣，是根據(jù)每個單元密度以單元計算出來的，一致質(zhì)量矩陣式通過單元的各節(jié)點平分，非對角線單元為零，表明質(zhì)量集中分配到節(jié)點上。[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣。

式中為特征向量，表示第i階自振頻率的振型，ωi為i階自振角頻率（rad/s），表示i階模態(tài)的固有頻率（特征值），自振頻率：fi=ωi/2π。

模態(tài)分析中忽略阻尼，忽略施加載荷。預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析前要執(zhí)行靜力結(jié)構(gòu)分析。

3有限元模型

采用ANSA軟件對計算模型進行網(wǎng)格劃分，有限元模型見圖1。其中單元數(shù)為119744，節(jié)點數(shù)為206245。用ANSYS17.0進行計算和后處理，計算坐標系為柱坐標系，坐標系軸向沿發(fā)動機軸線，順氣流方向為正，坐標系徑向遠離發(fā)動機軸線方向為正，坐標系周向由右手法則確定，燃氣渦輪逆時針旋轉(zhuǎn)。對實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分，進、排氣邊網(wǎng)格設(shè)置劃分相對于葉身尺寸小、精度高。

4 工況

單晶渦輪葉片與渦輪盤組合成渦輪轉(zhuǎn)子，工作時逆時針旋轉(zhuǎn)，起飛最大轉(zhuǎn)速38500 轉(zhuǎn)/分（100%），最大連續(xù)轉(zhuǎn)速37800轉(zhuǎn)/分（98.3 %）。

5 材料數(shù)據(jù)

渦輪葉片材料是“單晶”金屬合金，材料數(shù)據(jù)見表1。

8結(jié)論

理論計算燃氣渦輪工作葉片采用進口材料、替代材料的一階彎曲振動頻率分別為5265.7 Hz、5188.4 Hz，相差77.3 Hz，相差較小較為接近，采用替代材料進行替代的可行性強。

參考文獻：

[1]《航空發(fā)動機設(shè)計手冊》總編委會. 航空發(fā)動機設(shè)計手冊 第18冊 葉片輪盤機主軸強度分析（第一版）.北京：航空工業(yè)出版社，2001.9

[2]張 波，盛和太.ANSYS 有限元數(shù)值分析原理（第一版）.北京：清華大學(xué)出版社，2005.9

[3]小楓工作室編.最新經(jīng)典ANSYS及Workbench教程（第一版）.北京：電子工業(yè)出版社，2004.6

作者簡介：崔智勇，1970年，高級工程師，主要從事航空產(chǎn)品研制工作。D56A1769-15CF-4E0E-A4A9-A06FE7550D6F