王克選，宋 軍，姜年朝

(南京模擬技術研究所，江蘇南京210016)

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基于ANSYS的某渦噴發(fā)動機渦輪動頻計算

王克選，宋 軍，姜年朝

(南京模擬技術研究所，江蘇南京210016)

動頻是渦噴發(fā)動機渦輪設計計算的難點和關鍵之一。基于ANSYS軟件，計算了某渦噴發(fā)動機的渦輪結構的動頻及模態(tài)。計算結果滿足該渦噴發(fā)動機的動力學設計要求，渦噴發(fā)動機啟動后未發(fā)生共振，并且振動水平較小，表明該渦噴發(fā)動機渦輪動頻計算的正確性。

渦輪 模態(tài) 動頻 ANSYS

0 引言

渦輪是渦噴發(fā)動機的重要組成結構，其任務在于把來自燃燒室的高溫高壓燃氣的熱能轉換成渦輪軸上的機械能[1-2]。因此，渦輪結構的可靠性對渦噴發(fā)動機的能量轉換至關重要。資料表明，渦輪的故障主要是由于振動疲勞產(chǎn)生的破壞[3-6]。因此，在發(fā)動機設計時必須考慮渦輪結構的振動。

渦噴發(fā)動機的旋轉部件，都在高速旋轉狀態(tài)下工作，轉動使渦輪產(chǎn)生很大的質量離心力。這個力通常以一個拉力的方式作用在渦輪的截面上，迫使振動的渦輪有恢復到原平衡位置的趨勢，增加了渦輪的剛度，使渦輪的自振頻率增高，該頻率不同于靜止狀態(tài)下的頻率，稱為動頻[3,5]。由于渦輪高速旋轉，振動頻率和振型的獲取非常困難[1-2]。渦噴發(fā)動機的動頻率多用試驗方法在發(fā)動機上直接測得[5-6]。

基于ANSYS軟件，利用該軟件的模態(tài)分析功能[7]，計算了某無人機用渦噴發(fā)動機渦輪動頻和振型。

1 渦輪動頻計算

渦輪在旋轉時，在振動最大振幅時具有勢能，還有克服離心力場做的功，因此，可應用能量法來計算旋轉葉片的動頻，典型的計算公式為[5]：

fD2=f2+n2B

(1)

式(1)中，fD為計算動頻；f為靜頻；n為計算狀態(tài)的轉速；B為動頻系數(shù)。靜頻f是結構的基本特性，與旋轉無關，可以很好確定。在轉速n確定后，該狀態(tài)下的動頻fD僅與動頻系數(shù)B有關。動頻系數(shù)也稱結構的影響系數(shù)，它是結構面積和彈性線變化的函數(shù)，不同的面積規(guī)律的振型不同，動頻系數(shù)B也不一樣。而計算旋轉狀態(tài)下的彈性線是十分困難[5-6]。

ANSYS軟件是一款功能強大的有限元分析軟件，廣泛應用于工業(yè)領域的計算分析。利用該軟件模態(tài)分析模塊，在分析時加入渦輪轉速，很方便得到該渦輪在不同振型下的頻率[8-9]。

圖1所示為某渦噴發(fā)動機渦輪的幾何模型示意圖，采用的是SOLID45單元，在ANSYS軟件中建立該渦輪的有限元模型，考慮高速旋轉的情況，計算得到了渦輪的主要模態(tài)，對其動力學性能進行評估。

圖1 渦輪示意圖 圖2 整體有限元模型

建立有限元模型如圖2所示，模態(tài)計算時模型約束為將安裝螺孔處節(jié)點的軸向及徑向位移限制為零，使其只有旋轉自由度，模型載荷為繞軸的旋轉速度。渦輪材料的力學性能參數(shù)如表1中所示。

表1 渦輪材料性能參數(shù)

2 動頻計算結果

根據(jù)所建的有限元模型進行計算，結果如圖3中所示，圖3(a)、(b)、(c)分別對應前3階主要模態(tài)。

圖3 計算結果

提取該渦輪模態(tài)計算的振型模態(tài)和頻率，各階模態(tài)頻率如表2中所示。

表2 渦輪主要模態(tài)及動頻

3 試驗驗證

為驗證渦輪設計合理和動頻計算的正確性，進行臺架試驗，實時監(jiān)測發(fā)動機振動水平，采集測試點三個方向的振動加速度幅值及主要頻率成分。

圖4 試驗系統(tǒng)及傳感器位置示意圖

將數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)用橡膠繩固定在試驗臺架，采集信號通過無線實時傳輸?shù)讲杉治鱿到y(tǒng)，試驗系統(tǒng)如圖4所示。

監(jiān)測結果如表3所示。監(jiān)測點的振動水平較小，最大不超過0.1g，三個方向的振動水平隨著檢測頻段的增大而增大，發(fā)動機前后方向振動明顯高于其他兩個方向。同時，發(fā)動機也未出現(xiàn)共振。

表3 監(jiān)測到的三個主要方向不同頻點的振動幅值

監(jiān)測頻點/Hz左右振動幅值前后振動幅值上下振動幅值620.120.0043g———0.0059g917.970.0060g———0.0117g1220.70.0069g0.0262g0.0137g1406.250.0073g0.0257g0.0062g1455.080.0116g0.0237g0.0060g1513.670.0086g———0.0060g1831.050.0095g0.0705g0.0126g

4 結論

使用ANSYS軟件，計算了該渦噴發(fā)動機的渦輪的動頻及模態(tài)，為該渦噴發(fā)動機的渦輪設計提供了參考。設計的渦輪及發(fā)動機試車性能較好，無共振發(fā)生，振動水平滿足設計要求。表明計算結果的正確性。

由于渦輪在高溫高壓氣體作用下高速旋轉，承受的載荷較復雜，包含：旋轉產(chǎn)生的離心力和高溫產(chǎn)生的熱負荷，另外還有氣流的橫向氣體力、振動等作用力。所以在后續(xù)的優(yōu)化中，不僅要考慮離心力，還需考慮溫度、氣動力等對渦輪動特性的影響。另外，根部安裝形式影響其振型及動頻，這也是后續(xù)需進一步研究的工作。

[1] 彭澤琰.航空燃氣輪機原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

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[4] 林偉，羅貴火，王海濤.某微型航空發(fā)動機渦輪強度的計算分析[J].現(xiàn)代機械，2009(4)：5-6.

[5] 宋兆泓，主編.航空燃氣渦輪發(fā)動機強度計算[M].北京：北京航空學院出版社，1988.

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Dynamic frequency calculation of the turbine in a turbojet engine based on ANSYS

WANG Kexuan, SONG Jun, JIANG Nianzhao

Dynamic frequency is one of the difficult and key points in the design and calculation of turbo jet engine. The dynamic frequency and modal analysis of the turbine structure of a turbojet engine are calculated based on the ANSYS software. The calculation results meet the design requirements for the dynamics of the turbojet engine. There is no resonance, and the vibration amplitude value was small after the start of the turbojet engine, which indicates that the calculation of dynamic frequency on the turbine is correct.

turbine, modal, dynamic frequency, ANSYS

TH113；V235.11

A

1002-6886(2016)06-0012-03

王克選，男，青海省西寧市人，研究方向：無人機結構設計。 宋軍，男，江蘇溧陽人，碩士，研究方向：無人機強度和試驗。

2016-03-21