透平葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與振動(dòng)特性網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究

顧明恒 鄒婷婷 項(xiàng)潔瓊

摘要：振動(dòng)損壞是透平轉(zhuǎn)子葉片最主要失效模式之一，其失效關(guān)系到整臺(tái)機(jī)組的工作可靠性。為保證全壽命周期內(nèi)工作安全可靠，在設(shè)計(jì)階段需要對(duì)透平轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行詳細(xì)振動(dòng)分析，采用有限元法對(duì)葉片進(jìn)行頻率分析時(shí)，由于葉片網(wǎng)格劃分密度的差別，可能對(duì)振動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果造成較大影響。本文根據(jù)某型燃機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)情況，進(jìn)行了透平轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)一步基于ANSYS進(jìn)行了振動(dòng)特性分析，通過(guò)研究網(wǎng)格密度對(duì)葉片振動(dòng)頻率的影響，探究了對(duì)該榫接式葉片頻率計(jì)算結(jié)果無(wú)影響的合理網(wǎng)格密度，指導(dǎo)后續(xù)同類(lèi)機(jī)組透平葉片設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：透平葉片;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);固有頻率分析;網(wǎng)格密度

中圖分類(lèi)號(hào)：TK263.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0008-02

0? 引言

作為微型燃?xì)廨啓C(jī)核心部件之一的透平，其工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，工作環(huán)境十分惡劣，承受載荷復(fù)雜多變，因此其設(shè)計(jì)難度很大。透平轉(zhuǎn)子葉片是燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行與做功的關(guān)鍵部件，因?yàn)槿紵页隹诘母邷馗邏喝細(xì)庠谌~片之間高速流動(dòng)，葉片需要承受離心負(fù)荷、氣動(dòng)負(fù)荷以及振動(dòng)的交變負(fù)荷等，使得葉片容易發(fā)生高周疲勞損傷，影響燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)營(yíng)的可靠性。

隨著氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷深入，葉型越來(lái)越復(fù)雜，彎掠扭轉(zhuǎn)葉型使用越來(lái)越多，常規(guī)傳統(tǒng)理論計(jì)算葉片的頻率無(wú)法實(shí)現(xiàn)，為保障實(shí)際外場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的安全性，需要使用有限元軟件進(jìn)行動(dòng)葉的固有頻率與振型的分析，以便在設(shè)計(jì)之初即可得到滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的葉片結(jié)構(gòu)。

本文根據(jù)總體結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)設(shè)計(jì)邊界，運(yùn)用UG軟件完成了某型燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片三維建模，并基于Hypermesh與ANSYS兩款CAE軟件進(jìn)行了振動(dòng)特性分析與振動(dòng)特性網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究，用于指導(dǎo)后續(xù)其他同類(lèi)透平葉片F(xiàn)EA設(shè)計(jì)。

1? 透平葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)邊界

該型燃機(jī)透平葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邊界條件由氣動(dòng)專(zhuān)業(yè)和總體結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)提供，具體包含但不限于葉片高度、根徑、葉根軸向?qū)挾?、葉片數(shù)、進(jìn)口總溫、葉片型式、葉根類(lèi)型、葉片材料、轉(zhuǎn)速等。

該級(jí)透平轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邊界條件見(jiàn)表1。

1.2 榫頭型線選型

葉根榫槽型線采用三對(duì)齒的樅樹(shù)形結(jié)構(gòu)，型線母型選取某成熟應(yīng)用機(jī)組的葉根榫槽型線，采用?；O(shè)計(jì)方法確定初步型線，然后依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及后期三維有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，對(duì)型線局部進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

葉根榫槽型線選擇需要考慮葉根與榫槽大小比例，葉根與榫槽最大齒的頸部厚度比例需要滿足按照設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制定，最終設(shè)計(jì)的葉片榫槽葉根比為1.2，在準(zhǔn)則要求范圍內(nèi)。

1.3 葉片中間體與葉根設(shè)計(jì)

依據(jù)氣動(dòng)設(shè)計(jì)確定的葉片型線，匹配合適的葉根中間體與葉根結(jié)構(gòu)，葉片安裝方式為軸向安裝，且與軸向有一定的安裝角。

葉片中間體設(shè)計(jì)需保證葉型底部截面內(nèi)背弧線及進(jìn)氣側(cè)、出氣測(cè)圓角與中間體各邊需保持一定距離。葉片整體重心應(yīng)盡量靠近坐標(biāo)原點(diǎn)。中間體軸向保留一定的安裝間隙。

同時(shí)，需要設(shè)計(jì)動(dòng)葉與靜葉環(huán)間氣封結(jié)構(gòu)，中間體軸向兩側(cè)各伸出1.5mm，與靜葉環(huán)相應(yīng)結(jié)構(gòu)配合。葉型根部導(dǎo)圓按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際加工需求，取2.5mm。

榫槽與中間體之間分別保留合理的空腔尺寸，以滿足輪盤(pán)隔熱要求。最終設(shè)計(jì)的動(dòng)葉結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

2? 固有模態(tài)FEA計(jì)算

2.1 網(wǎng)格與邊界條件

通過(guò)Hypermesh軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格模型示意圖見(jiàn)圖3。

①葉片F(xiàn)EA分析采用三維模型開(kāi)展，葉片采用帶中間節(jié)點(diǎn)的高階六面體Solid186單元;②材料為鑄造鎳基高溫合金K438;③靜強(qiáng)度分析時(shí)，約束條件為榫頭齒面上建立局部直角坐標(biāo)系，施加局部坐標(biāo)系下的法向約束，葉片榫頭與后擋板接觸位置施加軸向約束;④振動(dòng)特性分析時(shí)，約束條件為榫頭齒面上建立局部直角坐標(biāo)系，施加全約束;⑤葉型厚度方向網(wǎng)格不低于4層;⑥施加額定轉(zhuǎn)速下的離心載荷及溫度場(chǎng)、空氣系統(tǒng)二次流腔壓與主流道氣動(dòng)壓力分布。

2.2 葉片振動(dòng)特性分析

采用ANSYS Workbench模塊進(jìn)行有限元前處理與相關(guān)FEA分析。

分別計(jì)算了靜頻與動(dòng)頻，用于繪制坎貝爾圖，評(píng)估該級(jí)葉片是否滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中共振裕度的要求。計(jì)算動(dòng)頻時(shí)，需要全部載荷加載完成后進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，再考慮預(yù)應(yīng)力進(jìn)行model分析。

計(jì)算了該級(jí)葉片固有頻率與設(shè)計(jì)點(diǎn)動(dòng)頻，根據(jù)頻率計(jì)算結(jié)果，繪制了坎貝爾圖，見(jiàn)圖4。

由坎貝爾圖可知，該級(jí)葉片振動(dòng)特性滿足設(shè)計(jì)要求。

3? 網(wǎng)格密度對(duì)頻率的影響

在設(shè)計(jì)階段，必須要保證葉片振動(dòng)共振特性能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而在實(shí)際分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格對(duì)葉片固有頻率計(jì)算有著不可忽視的影響。

由于葉片網(wǎng)格劃分的密度不同，對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，甚至可能會(huì)出現(xiàn)某種網(wǎng)格下，滿足共振裕度要求，而更改網(wǎng)格后計(jì)算出的動(dòng)頻不能滿足共振裕度要求的情況。

因?yàn)槿紮C(jī)透平葉片結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，因此對(duì)于特定葉片，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格密度的研究，找尋到對(duì)振動(dòng)特性無(wú)影響特定網(wǎng)格尺寸范圍對(duì)其他葉片設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值?；谏鲜鲈?，在設(shè)計(jì)階段初期，需要進(jìn)行振動(dòng)特性網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究。

對(duì)該葉片進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究時(shí)，根據(jù)葉片尺寸效應(yīng)影響，擬開(kāi)展研究的單位長(zhǎng)度（1mm）內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量變化范圍為0.4～10。計(jì)算得該葉片第一階固有頻率（一階周向彎曲）隨網(wǎng)格密度變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單位長(zhǎng)度內(nèi)網(wǎng)格密度超過(guò)3之后，葉片第一階周向彎曲頻率已無(wú)明顯變化（變化量不超過(guò)0.1%）。因此從實(shí)際設(shè)計(jì)工作的硬件資源和設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性考慮，制定當(dāng)前機(jī)組相似燃機(jī)葉片振動(dòng)分析時(shí)，網(wǎng)格密度要求不低于3。

4? 總結(jié)

①基于某燃?xì)廨啓C(jī)總體結(jié)構(gòu)與透平氣動(dòng)設(shè)計(jì)邊界，完成透平轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。②基于Hypermesh與ANSYS軟件，完成了該透平葉片有限元模型建立與固有頻率分析仿真工作。③為保證FEA仿真工作的可靠性，進(jìn)行了振動(dòng)特性網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究，研究表明，當(dāng)單位長(zhǎng)度內(nèi)網(wǎng)格密度超過(guò)3之后，葉片第一階周向彎曲頻率已無(wú)明顯變化，因此制定當(dāng)前機(jī)組相似燃機(jī)葉片振動(dòng)分析時(shí)，網(wǎng)格密度要求不低于3。

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