某重型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣有限元模態(tài)分析

劉 星 , 李克安,2, 唐駕時(shí), 溫紀(jì)云

(1. 長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院, 長沙 410076; 2. 湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006;3. 湖南大學(xué) 力學(xué)與航空航天學(xué)院, 長沙 410082)

引言

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn), 將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機(jī)械, 是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機(jī). 大功率重型燃?xì)廨啓C(jī)除可用于發(fā)電外, 還可用作大型船艦動力, 是國家綜合實(shí)力的重要象征. 其機(jī)匣的主要激振源有: (1)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量是引起承力系統(tǒng)及其構(gòu)件振動的重要激振因素; (2)有的燃?xì)廨啓C(jī)由于停車后轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的周向溫度分布不均, 使轉(zhuǎn)子處于熱彎曲變形狀態(tài), 如果此時(shí)再啟動, 易引起燃?xì)廨啓C(jī)的整機(jī)振動; (3)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)、靜子碰撞或轉(zhuǎn)子支點(diǎn)構(gòu)件不同軸度過大等會引起機(jī)匣承力系統(tǒng)的行波振動. 溫度對燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性和安全性影響很大, 為了避免燃?xì)廨啓C(jī)因發(fā)生共振而導(dǎo)致故障, 對考慮溫度影響下的重型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣進(jìn)行模態(tài)分析很有必要.

1 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的溫度場有限元分析

1.1 模型的建立

某重型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)如圖1所示. 在ANSYS軟件中建立有限元模型時(shí), 熱分析單元類型采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元(在ANSYS軟件中為SOLID70). 機(jī)匣有限元模型共劃分單元總數(shù)為1059754, 節(jié)點(diǎn)總數(shù)為304329.

1.2 材料的屬性

該燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的材料總共由三種合金材料組成, 本文分別用材料1、材料2、材料3來指代三種材料的名稱. 進(jìn)氣機(jī)匣和1～5級壓氣機(jī)機(jī)匣的材料為材料1; 6～15級壓氣機(jī)、擴(kuò)壓、燃燒室、透平、后支撐和透平后機(jī)匣的材料為材料2; 前支撐軸承、前支撐殼體、后支撐軸承、承力環(huán)組件和支板的材料為材料3. 三種材料的材料屬性隨溫度而變化,材料1的密度, 泊松比; 材料 2的密度, 泊松比; 材料3的密度, 三種材料的導(dǎo)熱系數(shù)相同. 表1和表2為三種材料屬性參數(shù).

表1 材料隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣內(nèi)部圖

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的溫度載荷圖

1.3 機(jī)匣的溫度場分析及邊界條件

在ANSYS軟件平臺分析機(jī)匣的溫度場分布時(shí), 溫度作為自由度約束施加于機(jī)匣的幾何模型. 圖2為將機(jī)匣內(nèi)、外表面的溫度值作為自由度約束施加于機(jī)匣的幾何模型.

表2 材料隨溫度變化的彈性模量

表3 燃?xì)廨啓C(jī)各氣缸機(jī)匣內(nèi)部溫度值

表4 壓氣機(jī)各級靜子葉片之間的溫度值

1.4 機(jī)匣的溫度場分析結(jié)果

圖3和圖4為機(jī)匣通過ANSYS軟件數(shù)值仿真得到的溫度場分布結(jié)果. 從圖4明顯可以看出后支撐和后透平機(jī)匣內(nèi)表面的溫度值最大. 當(dāng)機(jī)匣的溫度值不是很高時(shí), 溫度在 6～15級壓氣機(jī)機(jī)匣壁的擴(kuò)散厚度大于后支撐機(jī)匣壁及后透平機(jī)匣壁的擴(kuò)散厚度.

圖3 機(jī)匣的溫度分布圖

圖4 機(jī)匣的內(nèi)部溫度分布圖

2 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的模態(tài)分析

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的模態(tài)分析的邊界條件

在ANSYS軟件中建立模態(tài)分析的有限元模型時(shí), 結(jié)構(gòu)分析單元類型采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元(在ANSYS軟件中為SOLID45). 整個(gè)機(jī)匣的網(wǎng)格由粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格構(gòu)成, 進(jìn)氣段機(jī)匣和后支撐段機(jī)匣的網(wǎng)格為細(xì)網(wǎng)格, 機(jī)匣其他結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格為粗網(wǎng)格. 圖5為機(jī)匣的網(wǎng)格劃分圖.

機(jī)匣的位移邊界約束采用4個(gè)約束塊來約束機(jī)匣X方向、Y方向和Z方向的位移. 前面二個(gè)約束塊附著在1～5級壓氣機(jī)機(jī)匣的水平方向, 并且左右放置, 左前約束塊約束機(jī)匣移動的X方向、Y方向和Z方向, 右前約束塊約束機(jī)匣移動的X方向和Z方向. 后面二個(gè)約束塊附著在后支撐機(jī)匣的水平方向, 并且左右放置,后二個(gè)約束塊均約束機(jī)匣移動的X方向. 圖6為機(jī)匣的位移約束圖.

圖5 機(jī)匣的網(wǎng)格圖

圖6 機(jī)匣的位移約束圖

2.2 不考慮溫度影響的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的模態(tài)分析結(jié)果

2.2.1 模態(tài)分析得到的固有頻率

不考慮溫度因素對機(jī)匣模態(tài)分析的影響, 通過ANSYS軟件分析得到了機(jī)匣的模態(tài)分析結(jié)果的前十階固有頻率, 如表5所示.

表5 機(jī)匣的前十階固有頻率

2.2.2 模態(tài)分析得到的前六階振型(圖7)

圖7 機(jī)匣的前六階振型

2.2.3 模態(tài)分析的結(jié)果分析

(1)本模態(tài)分析雖然沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 但從經(jīng)驗(yàn)判斷, 模態(tài)分析的結(jié)果(包括各階模態(tài)的頻率和振型)是符合實(shí)際情況的.

(2)從固有頻率的計(jì)算結(jié)果來看, 由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)屬于軸對稱結(jié)構(gòu), 所以某些振型的自振頻率數(shù)值比較相近.

(3)表中數(shù)據(jù)意味著當(dāng)外部激勵(lì)的頻率接近表中數(shù)值時(shí), 有可能產(chǎn)生較大振幅, 使結(jié)構(gòu)受到損害, 因此可通過修改設(shè)計(jì), 改變振動出現(xiàn)的頻率范圍, 來提高燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性和安全性.

(4)在不考慮溫度因素影響燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣模態(tài)的情況下, 通過分析機(jī)匣的前十階模態(tài)振型得出: 機(jī)匣的第一階、第二階、第三階、第五階、第六階、第八階和第十階固有模態(tài)振型為彎曲振型; 機(jī)匣的第四階、第七階和第九階固有模態(tài)振型為扭矩振型.

(5)機(jī)匣的彎曲振型主要是水平方向(X方向)擺動、垂直方向(Z方向)擺動和軸線方向(Y方向)拉伸, 以及三個(gè)方向的組合運(yùn)動. 機(jī)匣的扭矩振型是繞軸線方向(Y方向)轉(zhuǎn)動.

(6)機(jī)匣的第一階振型是機(jī)匣橫向水平面內(nèi)的擺動; 機(jī)匣的第二階振型是機(jī)匣垂直面內(nèi)的擺動; 機(jī)匣的第三階振型是機(jī)匣橫向水平面和垂直面的組合擺動; 機(jī)匣的第四階振型是機(jī)匣的進(jìn)氣氣缸段機(jī)匣繞軸線的扭矩振動; 機(jī)匣的第五階振型是機(jī)匣垂直面內(nèi)的彎曲振動; 機(jī)匣的第六階振型是機(jī)匣的支板及支承環(huán)組件沿軸線的拉伸彎曲振動.

2.3 考慮溫度影響的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的模態(tài)分析結(jié)果

2.3.1 模態(tài)分析得到的固有頻率

考慮溫度因素對機(jī)匣模態(tài)分析的影響, 通過ANSYS軟件分析得到了機(jī)匣的模態(tài)分析結(jié)果的前十階固有頻率, 如表6所示.

表6 機(jī)匣的前十階固有頻率

2.3.2 模態(tài)分析得到的振型(圖8)

圖8 機(jī)匣的前六階振型

2.3.3 模態(tài)分析的結(jié)果分析

(1)考慮溫度因素影響燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣模態(tài)的情況下, 通過分析機(jī)匣的前十階模態(tài)振型得出: 機(jī)匣的第一階、第二階、第三階、第五階、第六階、第八階和第十階固有模態(tài)振型為彎曲振型; 機(jī)匣的第四階、第七階和第九階固有模態(tài)振型為扭矩振型.

(2)機(jī)匣的第一階振型是機(jī)匣橫向水平面內(nèi)的擺動; 機(jī)匣的第二階振型是機(jī)匣垂直面內(nèi)的擺動; 機(jī)匣的第三階振型是機(jī)匣橫向水平面和垂直面的組合擺動; 機(jī)匣的第四階振型是機(jī)匣的進(jìn)氣氣缸段機(jī)匣繞軸線的扭矩振動; 機(jī)匣的第五階振型是機(jī)匣支板及支承環(huán)組件沿軸線的拉伸彎曲振動; 機(jī)匣的第六階振型是機(jī)匣的支板及支承環(huán)組件沿軸線的扭矩振動.

3 結(jié)論

(1)通過分別分析溫度影響與否兩種情況下的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣的模態(tài)得知: 考慮溫度因素影響的機(jī)匣彎曲振動的固有頻率比不考慮溫度影響的機(jī)匣彎曲振動的固有頻率低, 原因是機(jī)匣溫度的升高使機(jī)匣材料的彈性模量降低, 從而使機(jī)匣的剛度降低導(dǎo)致機(jī)匣的自振頻率下降, 溫度因素對機(jī)匣的固有頻率和振型有影響.

(2)考慮溫度因素影響的機(jī)匣和不考慮溫度因素影響的機(jī)匣的扭轉(zhuǎn)振動出現(xiàn)的固有頻率數(shù)值近似相等,原因是機(jī)匣4個(gè)約束塊對機(jī)匣的X方向全部約束, 而機(jī)匣的Y方向只有一個(gè)約束塊約束.

(3)通過分析機(jī)匣的模態(tài),結(jié)果表明溫度因素影響機(jī)匣的振動特性, 使機(jī)匣的固有頻率數(shù)值降低, 可能使燃?xì)廨啓C(jī)在定運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生共振的機(jī)率增大, 模態(tài)分析結(jié)果有助于工程應(yīng)用實(shí)際的理論指導(dǎo).

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