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航空发动机风扇叶片振动特性分析寇海军;张俊红;林杰威【摘要】针对叶片的振动失效关系到整台发动机的工作可靠性的问题,基于振动分析理论,在风扇叶片模态试验的基础上,结合有限元方法建立了叶片振动分析模型;考虑气体与叶片的耦合作用,建立了旋转叶片流道模型;利用计算流体动力学计算了额定工况下的叶片表面气动载荷,并将其引入旋转叶片有限元振动分析中进行了叶片静频、动频和振动响应分析,从而得到叶片在不同转速下的动态响应.分析发现,叶片转速在2000～3600r/min范围内的10个转速点存在谐共振.通过进一步分析10个转速下的叶片振型与动态应力得出:临界转速工况下的振动应力明显高于相邻转速,但共振应力峰值与临界转速并无正相关性;共振应力集中位置受叶片模态振型影响较大,始终出现于叶片前缘并沿叶高方向变化,表明叶片前缘最易发生振动疲劳.研究结果对叶片振动疲劳设计和维护维、修均有一定的指导意义.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)011【总页数】6页(P109-114)【关键词】航空发动机;风扇叶片;计算流体动力学;有限元方法;振动特性【作者】寇海军;张俊红;林杰威【作者单位】天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,300072,天津;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,300072,天津;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,300072,天津【正文语种】中文【中图分类】V232.4航空发动机风扇叶片的展弦比大、应力水平高、工作条件恶劣,以及高速旋转产生的离心力和气流冲击引起的气动力易使叶片发生振动。发动机由振动引起的故障占总故障的60%以上,其中叶片振动故障占总振动故障的70%以上[1]。叶片振动尤其是共振将产生较大的振动应力,易导致叶片疲劳失效。因此,振动特性分析是研究发动机叶片减振、抗疲劳问题的关键[2]。Srinivasan根据多年的研究成果和工作经验总结了严重影响燃气轮机结构发展的叶片振动问题[3]。Poursaeidi分析了固有频率对压气机R1级叶片失效的影响[4],同时考虑了离心载荷和气动载荷,但对气动载荷进行了简化。Cheng等通过有限元分析和试验测量的方法对轴流式风机叶片由离心和气动载荷引起的振动和应力进行了分析研究[5]。本文考虑了离心载荷和稳态气动载荷共同作用的影响,通过数值模拟方法研究了某航空发动机风扇叶片的振动特性。通过叶片动频计算结果来确定载荷对叶片振动频率和模态振型的影响,通过绘制叶片坎贝尔图来确定临界转速,通过分析叶片各临界的振动特性来研究叶片振动应力分布及应力峰值的影响因素,为进一步研究叶片振动疲劳问题奠定了基础,对叶片振动故障分析具有一定的参考价值。1.1叶片模型叶片为某型航空发动机风扇叶片,通过燕尾榫连接,叶身高度为603.2mm,初始扭转角度为61.3°,见图1a。利用三坐标测量仪采集叶片点云数据,通过CAD/CAM绘图软件重构曲面得到叶片的三维仿真模型,见图1b。1.2有限元网格模型对图1b进行有限元网格划分,并采用10节点四面体单元(solid187)对叶片和轮毂进行网格划分(见图2),其中叶片包含304629个实体单元,轮毂包含213338个实体单元。叶片及轮毂的材料均为TC4,弹性模量为107GPa,泊松比为0.3,密度为4200kg/m3。1.3叶片流场模型叶片流场物理模型见图3a,利用ICEM前置处理软件对叶片流场模型进行网格划分,模型整体采用四面体单元进行网格划分(见图3b)。为提高计算结果的精度,对叶片流场物理模型和内部流体接触边界进行网格局部加密及混合网格(HybridGrids)处理[6]。利用FLUENT软件对6种典型工况下的叶片表面压力进行数值模拟。模型采用压力进口和压力出口边界,选择标准κ-ε模型和标准壁面函数,求解时选用SIMPLE算法和2阶迎风格式。为了验证网格无关性,在294万网格的基础上增加50%(441万网格)计算给定工况的叶片表面压力,结果相差在2%以内,因此认为294万网格满足本研究中的叶片表面压力计算要求。2.1叶片有限元模型验证由于测量手段的限制,在叶身的实际测量中进行了一定的曲面简化,为了保证利用该模型进行后续计算分析的可信性,本文通过实际叶身固有频率的试验值与模拟值的比对进行三维模型与实际叶片拟真度的校核[7]。在室温条件下,以试验间地台作为叶片的安装基础,模态测试时将叶片与盘的连接简化为叶片与地台静态夹紧的形式(见图4)。沿叶高方向将叶身划分为5个区域,每个区域沿叶宽的左、中、右共设计15个测点。测试中,一次布置3个PCB-356A26三向加速度传感器同时测量同一区域的振动情况,利用LMS-SCM振动噪声测试分析系统进行数据的采集与处理。因为叶片自身质量相对较轻,为减小传感器附加质量对模态试验的影响,在安装时去掉磁铁且直接粘附于叶片表