顧明恒 鄒婷婷 項潔瓊

摘要：振動損壞是透平轉(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)計階段需要對透平轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行詳細(xì)振動分析，采用有限元法對葉片進(jìn)行頻率分析時，由于葉片網(wǎng)格劃分密度的差別，可能對振動特性計算結(jié)果造成較大影響。本文根據(jù)某型燃機(jī)氣動設(shè)計情況，進(jìn)行了透平轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進(jìn)一步基于ANSYS進(jìn)行了振動特性分析，通過研究網(wǎng)格密度對葉片振動頻率的影響，探究了對該榫接式葉片頻率計算結(jié)果無影響的合理網(wǎng)格密度，指導(dǎo)后續(xù)同類機(jī)組透平葉片設(shè)計。

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

中圖分類號：TK263.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，因為燃燒室出口的高溫高壓燃?xì)庠谌~片之間高速流動，葉片需要承受離心負(fù)荷、氣動負(fù)荷以及振動的交變負(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)營的可靠性。

隨著氣動設(shè)計技術(shù)的不斷深入，葉型越來越復(fù)雜，彎掠扭轉(zhuǎn)葉型使用越來越多，常規(guī)傳統(tǒng)理論計算葉片的頻率無法實現(xiàn)，為保障實際外場運(yùn)營的安全性，需要使用有限元軟件進(jìn)行動葉的固有頻率與振型的分析，以便在設(shè)計之初即可得到滿足設(shè)計準(zhǔn)則要求的葉片結(jié)構(gòu)。

本文根據(jù)總體結(jié)構(gòu)與氣動設(shè)計邊界，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)行了振動特性分析與振動特性網(wǎng)格無關(guān)性研究，用于指導(dǎo)后續(xù)其他同類透平葉片F(xiàn)EA設(shè)計。

1? 透平葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計邊界

該型燃機(jī)透平葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計邊界條件由氣動專業(yè)和總體結(jié)構(gòu)專業(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、葉根類型、葉片材料、轉(zhuǎn)速等。

該級透平轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計邊界條件見表1。

1.2 榫頭型線選型

葉根榫槽型線采用三對齒的樅樹形結(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，采用模化設(shè)計方法確定初步型線，然后依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求及后期三維有限元強(qiáng)度計算結(jié)果，對型線局部進(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)計準(zhǔn)則制定，最終設(shè)計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

依據(jù)氣動設(shè)計確定的葉片型線，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)計需保證葉型底部截面內(nèi)背弧線及進(jìn)氣側(cè)、出氣測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。中間體軸向保留一定的安裝間隙。

同時，需要設(shè)計動葉與靜葉環(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)計經(jīng)驗與實際加工需求，取2.5mm。

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

2? 固有模態(tài)FEA計算

2.1 網(wǎng)格與邊界條件

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

①葉片F(xiàn)EA分析采用三維模型開展，葉片采用帶中間節(jié)點的高階六面體Solid186單元;②材料為鑄造鎳基高溫合金K438;③靜強(qiáng)度分析時，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振動特性分析時，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、空氣系統(tǒng)二次流腔壓與主流道氣動壓力分布。

2.2 葉片振動特性分析

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

分別計算了靜頻與動頻，用于繪制坎貝爾圖，評估該級葉片是否滿足設(shè)計準(zhǔn)則中共振裕度的要求。計算動頻時，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。

計算了該級葉片固有頻率與設(shè)計點動頻，根據(jù)頻率計算結(jié)果，繪制了坎貝爾圖，見圖4。

由坎貝爾圖可知，該級葉片振動特性滿足設(shè)計要求。

3? 網(wǎng)格密度對頻率的影響

在設(shè)計階段，必須要保證葉片振動共振特性能滿足強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則，而在實際分析過程中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格對葉片固有頻率計算有著不可忽視的影響。

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

因為燃機(jī)透平葉片結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，因此對于特定葉片，對其進(jìn)行網(wǎng)格密度的研究，找尋到對振動特性無影響特定網(wǎng)格尺寸范圍對其他葉片設(shè)計有一定的參考價值。基于上述原因，在設(shè)計階段初期，需要進(jìn)行振動特性網(wǎng)格無關(guān)性研究。

對該葉片進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性研究時，根據(jù)葉片尺寸效應(yīng)影響，擬開展研究的單位長度（1mm）內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量變化范圍為0.4～10。計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)律見圖5。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單位長度內(nèi)網(wǎng)格密度超過3之后，葉片第一階周向彎曲頻率已無明顯變化（變化量不超過0.1%）。因此從實際設(shè)計工作的硬件資源和設(shè)計準(zhǔn)確性考慮，制定當(dāng)前機(jī)組相似燃機(jī)葉片振動分析時，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)與透平氣動設(shè)計邊界，完成透平轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計。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)行了振動特性網(wǎng)格無關(guān)性研究，研究表明，當(dāng)單位長度內(nèi)網(wǎng)格密度超過3之后，葉片第一階周向彎曲頻率已無明顯變化，因此制定當(dāng)前機(jī)組相似燃機(jī)葉片振動分析時，網(wǎng)格密度要求不低于3。

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