小型航空渦輪增壓器葉片強度振動研究_圖文

1、收稿日期:2009-06-08;修改日期:2009-06-12基金項目:北航創(chuàng)新基金“小型航空渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)研究”項目作者簡介:林海英(1971-,男,吉林省吉林人,碩士,目前從事小型航空發(fā)動機研制工作。E 2mail:haiyingbuaa .edu .cn文章編號:100621355(20090620044206小型航空渦輪增壓器葉片強度振動研究林海英,陳萌(北京航空航天大學(xué),北京100191摘要:在進行的某型航空活塞發(fā)動機廢氣渦輪增壓器氣動和結(jié)構(gòu)改進設(shè)計的基礎(chǔ)上,針對渦輪增壓器葉片強度振動問題進行分析。計算結(jié)果表明,在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),葉片不會出現(xiàn)強度和振動問題,滿足工程使用要求。關(guān)鍵

2、詞:振動與波;渦輪增壓器;葉片;強度;振動Ana lysis of Stress and V ibra ti on of Bl ade for Aero TurbochargerL IN Ha i 2ying,CHEN M eng(Beihang University,Beijing 100191,China Abstract:On the base of structure re modeling and aer odyna m ic design of m icr o turbocharger f oraer o p ist on engine,this paper described t

3、he stress and vibrati on analysis of blades f or turbocharger .The results shows that in the r otati on range of the r ot or,the blade of comp ress or and turbine will work safely .Key words:vibrati on and wave;turbocharger;blade;stress;vibrati on 使用航空活塞發(fā)動機作為動力裝置的飛行器在高空飛行時,由于高度的升高,大氣壓力和空氣密度逐漸下降,其結(jié)果是

4、進入發(fā)動機的空氣量減少,發(fā)動機的最大功率有所下降。因此該類飛行器一般飛行高度不超過5000m 。為了滿足飛行器高空、長航時和飛行可靠性要求,提高發(fā)動機的工作高度,并確保高空仍能保持所需的輸出功率,需要對活塞發(fā)動機進行渦輪增壓1-3。國外部分小型活塞式航空發(fā)動機采用了廢氣渦輪增壓技術(shù),如奧地利ROT AX914發(fā)動機采用一級渦輪增壓;T MS 為NAS A 發(fā)展了三套不同的系統(tǒng)以用于捕食者無人機的發(fā)動機ROT AX912,包括:單級渦輪增壓器,使得RQ -1B 飛行高度從22000英尺上升到33000英尺;兩級渦輪增壓器使得飛行高度到達52000英尺,三級渦輪增壓器使得飛行高度超過80000英尺

5、1。國內(nèi)多采用廢氣渦輪增壓器提高地面車輛發(fā)動機功率、改善經(jīng)濟性、減小機器單位馬力體積和重量。針對航空用的渦輪增壓器研究甚少。渦輪增壓器主要由壓氣機和渦輪機兩大部分組成。渦輪機利用廢氣的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功;壓氣機利用渦輪機輸出的機械功,把空氣的壓力提高。然后把增壓空氣輸送至活塞發(fā)動機的氣缸內(nèi),以達到增壓的目的。由于航空用增壓器渦輪部件尺寸小、流量小,轉(zhuǎn)速高,會帶來一些特有的問題,最為顯著是高轉(zhuǎn)速下葉片強度振動和高速轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題?，F(xiàn)有的渦輪增壓器,一般都采用離心式壓氣機,故可根據(jù)采用渦輪機型式的不同,把渦輪增壓器分為兩大類:軸流式渦輪增壓器和徑流式渦輪增壓器。本文的渦輪增壓器就是一種徑流式渦輪

6、增壓器。渦輪增壓器結(jié)構(gòu)簡圖見圖1,它由渦輪進氣殼、轉(zhuǎn)子、中間殼、壓氣機蝸殼、擴壓器和壓氣機進氣殼等組成。其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由一級離心壓氣機和一級徑流式渦輪組成,壓氣機部分包括7個大葉片和7個小葉片,渦輪部分包括11個葉片,轉(zhuǎn)子示意圖見圖2。工作中徑流式渦輪徑向進氣,軸向出氣。本文的渦輪增壓器原型機工作轉(zhuǎn)速120,000 r/m in,增壓比為2.4;方案改型后工作轉(zhuǎn)速120,000r/m in,增壓比為3.8;離心壓氣機進口外徑約為42mm ,出口外徑約為65mm ,單個大葉片重量約為0.55g,單個小葉片重量約為0.38g,整個葉輪重量約為60g;徑流式渦輪進口外徑約為60mm ,出口外徑約為85m

7、m ,單個葉片重量約為7.2g,整個葉輪重量約為350g。 1壓氣機強度振動分析本節(jié)對壓氣機大小葉片進行了振動分析和離心力作用下的強度分析。壓氣機葉片采用鋁合金LD7(美2618。材料各參數(shù)見表1。表1材料參數(shù)表Tab .1Param eters of ma ter i a ls材料彈性模量(GPa 密度(Kg/m 3泊松比bLD7712.80×103410離心壓氣機共包含大小葉片7對,共14片。壓氣機實體模型如圖3。圖3離心壓氣機實體模型Fig .3Model of centrifugal comp ress or1.1壓氣機大葉片壓氣機大葉片共劃分4123個六面體實體單元,756

8、4個節(jié)點。在葉片根部進行全約束,其有限元模型及約束見圖4。利用有限元模型進行離心力作用下的應(yīng)力分析,結(jié)果如圖5所示。從圖5壓氣機大葉片應(yīng)力圖中可以看出,葉片絕大部分應(yīng)力小于300,最大應(yīng)力為976,位于葉片尾緣葉根處。而且該處應(yīng)力存在一個突變,出現(xiàn)這種情況的原因應(yīng)該是:本文的計算是單獨使用葉片進行的,約束條件為將葉片葉根全約束,這樣不可避免的造成葉根處的應(yīng)力集中。在實際工作中,整個葉片應(yīng)該能夠滿足強度要求。利用有限元模型進行模態(tài)分析,20000Hz以下各階模態(tài)結(jié)果如表2所示,振型圖見圖6。表2壓氣機大葉片模態(tài)結(jié)果Tab.2Co m pressor M a i n Bl ade M oda l

9、Frequency Result 階數(shù)123頻率(Hz56741140618223振型圖圖6壓氣機大葉片模態(tài)振型圖a圖6壓氣機大葉片模態(tài)振型圖b圖6壓氣機大葉片模態(tài)振型圖 c1.2壓氣機小葉片壓氣機小葉片共劃分4710個六面體實體單元,7456個節(jié)點。有限元模型及約束見圖7。運用模型進行離心力作用下的應(yīng)力分析,結(jié)果如圖8。從圖8中可以看出,與壓氣機大葉片相似,小葉片絕大部分應(yīng)力小于300,最大應(yīng)力為1022,位于葉片尾緣葉根處,這也應(yīng)該是單獨使用葉片進行應(yīng)力計算引起的。在實際工作中,整個葉片應(yīng)該能夠滿足強度要求。利用有限元模型進行模態(tài)分析,20000Hz以下各階模態(tài)結(jié)果如表3所示,振型圖見圖9

10、 。圖7壓氣機小葉片有限元約束圖Fig.7Comp ress or Sp litter B lade FE Constraint圖8壓氣機小葉片應(yīng)力分布圖Fig.8Comp ress or Sp litter B lade Stress D istributi on表3壓氣機小葉片模態(tài)結(jié)果Tab.3Co m pressor Splitter M oda l Frequency階數(shù)123頻率(Hz77081414615888振型圖圖a圖b圖c2渦輪葉片強度振動分析本節(jié)對渦輪葉片進行了振動分析和離心力作用下的強度分析。渦輪葉片采用GH4169材料,材料各參數(shù)見表4 。表4材料參數(shù)表Tab.4Par

11、am eters of ma ter i a ls材料彈性模量(GPa密度(Kg/m3泊松比b2.1渦輪動葉渦輪共有葉片11片,渦輪的實體模型見圖10,每個葉片劃分5565個六面體實體單元,7872個節(jié)點。有限元模型及約束見圖11。利用有限元模型進行離心力作用下的應(yīng)力分析,葉片應(yīng)力分布和變形如圖12和圖13所示。從圖12和圖13可以看出,渦輪葉片在離心力作用下最大應(yīng)力發(fā)生在葉片尾緣葉根處,安全裕度約為20%,符合要求。運用葉片模型進行模態(tài)分析,表4給出了20000Hz以下的各階模態(tài)結(jié)果。圖14給出了各階模態(tài)振型。表4渦輪葉片模態(tài)結(jié)果Tab.4Turb i n e Bl ade M oda l

12、Frequency Result階數(shù)12頻率(Hz601514427振型圖圖1a圖1b 小型航空渦輪增壓器葉片強度振動研究 2. 2 渦輪導(dǎo)葉 49 渦輪導(dǎo)葉共有 15 片 ,每個葉片劃分 9 885 個六 面體實體單元 , 12 080 個節(jié)點 。在導(dǎo)葉的上下兩個 端面進行全約束 ,有限元模型及約束見圖 15。 3 結(jié) 語 通過對渦輪葉片 、 渦輪導(dǎo)葉以及壓氣機大小葉 片在離心力作用下的強度分析和振動模態(tài)分析 , 結(jié) 果表明 : ( 1 壓氣機大小葉片葉身上絕大部分應(yīng)力小 于 300,最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片尾緣葉根處 ,而且應(yīng)力 存在一個突變 , 出現(xiàn)這種情況的原因應(yīng)該是 : 本文 的計算是單獨

13、使用葉片進行的 , 約束條件為將葉片 葉根全約束 ,這樣不可避免的造成葉根處的應(yīng)力集 中 。在實際工作中 , 整個葉片應(yīng)該能夠滿足強度要 求 ,最后應(yīng)該使用盤片整體模型進行強度校核 。大 葉片前 三 階 模 態(tài) 頻 率 為 5 674 Hz、 406 Hz 和 11 18 223 Hz,小葉片前三階模態(tài)頻率為 7 708 Hz、 14 146 Hz和 15 888 Hz, 遠(yuǎn)高于葉片工作轉(zhuǎn)速 2 670 Hz。工作過程中不會存在振動問題 。 ( 2 在離心力作用 , 渦輪葉片的安全裕度超過 20% ,滿足強度要求 ; 同時前兩階模態(tài)頻率為 6 015 Hz和 14 427 Hz,遠(yuǎn)高于葉片工作

14、轉(zhuǎn)速 2 670 Hz。工 圖 15 渦輪導(dǎo)葉有限元約束圖 Fig 15 Turbine Nozzle FE Constraint . 利用有限元模型進行模態(tài)分析 , 第一階振型頻 率為 142 013 Hz,其振型圖見圖 16,考慮到轉(zhuǎn)子的工 作轉(zhuǎn)速為 160, 000 r/m in ( 2 670 Hz ,導(dǎo)葉在工作中 不會存在振動問題 。 作過程中不會存在振動問題 。 ( 3 渦輪導(dǎo)葉第一階模態(tài)頻率即為 142 013 Hz,故在工作過程中渦輪導(dǎo)葉不會存在振動問題 。 參考文獻 : 1 James L. Bettner, Craig S B landford. Propulsion System . A ssess ment for Very H igh A ltitude UAV under ERAST 2 BRP 2 Rotax GmbH, M aintenance M anual for ROTAX En2 3 蔣德明 . 內(nèi)燃機的渦輪增壓 M . 北京 : 機械工業(yè)出版 M . NASA CR 2 195469, 1995. 社 , 1986. 4 朱大鑫 . 渦輪增壓與渦輪增壓器 M . 北京 : 機械工業(yè) 圖 16 渦輪導(dǎo)葉第一階振型圖 (142 013 Hz Fig 16 Turbine Nozzle First Modal Shape