CN110298117B - 一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，属于压气机叶片可靠性研究技术领域。目的是为了解决压气机叶片在经常工作的转速范围内发生共振的问题。本发明首先对存在共振问题的压气机叶片进行振动计算；根据计算结果，结合叶片振动设计准则，明确叶片振动方面存在的风险，进而确定叶片的目标频率值；根据叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定性关系，初步给出叶片的具体厚度值；对叶片进行振动计算，总结出叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定量关系，参照此关系并依据最初确定的目标频率值，给出方案二；通过微调最终找出合理的叶型调整方案。本发明适用于各种舰船及工业用燃气轮机压气机、航空发动机压气机叶片的调频设计。

Description

一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法
技术领域
本发明涉及一种压气机叶片调频设计方法，属于压气机叶片可靠性研究技术领域。
背景技术
长期以来叶片振动问题一直是发动机的一个普遍而又严重的问题，所有的发动机在研制和使用过程中，几乎都发生过叶片振动问题。燃气轮机压气机叶片，在工作状态下要承受大的离心载荷，如果叠加上非正常工况下引起的振动交变载荷，则极有可能导致叶片早期疲劳断裂失效。事实上，大部分转子叶片事故如裂纹、折断等都是因各种类型的振动引起的。
当激振频率与叶片的固有振动频率相等时，叶片发生共振。一旦发生强烈共振，很容易使叶片产生高循环疲劳，造成叶片以至发动机的破坏，其后果不堪设想。发动机在整个工作包线内工作时，叶片完全不发生共振几乎是不可能的。因此只有通过设计和试验来保证叶片在经常工作的状态下不发生足以引起高循环疲劳破坏的有害共振，即所谓避开或防止有害共振。
由于叶片共振是由激振力的频率与叶片固有振动频率一致时引起的，因此，减振的措施可以从改变激振力的频率和叶片调频(即改变叶片固有振动频率)两个方面入手。激振力可用傅里叶级数展开为一个恒定力和若干个激振力。因此想要想办法避开这些激振力的频率。例如：转子叶片前面存在36个静子叶片，则它所产生的激振频率为36ω，72ω，144ω，…。在某些转速下，这些激振频率如果与叶片的固有频率相等，则将不同程度地发生共振现象。因此如果改变静子叶片数激振频率会发生变化，这些转速下的共振现象也就自然消失了。改变叶片的固有频率通常是通过改变叶片的造型或者改变叶片的材料实现。改变叶片造型常常用加厚或减薄叶身尺寸来实现；更换材料实际上是改变材料的弹性模量和材料密度，但只有弹性模量与材料密度之比相差较大时才有效。对正交各向异性材料还可以通过改变材料结晶轴方向改变叶片频率，但改变的范围也很有限。
发明内容
本发明的目的是为了解决压气机叶片在经常工作的转速范围内发生1阶共振的问题，提供了一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法。
一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，通包括以下步骤：
步骤一、对存在共振问题的压气机叶片(原始叶片)进行振动计算；
步骤二、根据步骤一中的计算结果，结合叶片振动设计准则，明确叶片振动方面存在的风险，进而确定叶片的目标频率值；
步骤三、基于步骤二中的目标频率值，根据叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定性关系，初步给出沿径向各叶身截面叶型的具体厚度值，这里称之为方案一；
步骤四、对方案一中的叶片进行振动计算，基于计算结果，总结出叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定量关系，参照此定量关系并依据步骤二中的目标频率值，可给出方案二叶片。
步骤五、基于步骤四中的方案二叶片，通过微调最终找出合理的叶型调整方案即符合步骤二中目标频率值的叶片，这里称之为最终叶片；
步骤六、对步骤五中的最终叶片进行强度校核和整机气动性能核算，以保证其满足气动和强度的要求。
进一步地，步骤一所述的进行振动计算是基于有限元计算分析程序AnsysWorkbench实现的。
进一步地，步骤四所述的对方案一中的叶片进行振动计算是基于有限元计算分析程序Ansys Workbench实现的。
进一步地，步骤二中叶片的振动计算结果通过坎贝尔图直观呈现。
进一步地，步骤三所述初步给出沿径向各叶身截面叶型的具体厚度值中的叶型具体厚度值只是初值，与原始叶型相比，变化范围控制在1～2mm。
进一步地，步骤四中所述的叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定量关系通过线性插值的方法得到。
有益效果：
本发明是通过改变叶片叶身厚度尺寸来实现避开共振的问题，具体包括以下优点：
1、本发明方法充分考虑了厚度对压气机叶片1阶固有频率值得影响，极大地简化了叶片调频流程，在保持原始设计的基础上能够快速得到满足目标频率值的叶片，从而在设计初期避免了压气机叶片在工作转速范围内发生1阶共振的可能性，非常适合工程设计应用。
2、本发明的叶片设计方法简单，设计出的叶片工作稳定可靠。
3、本发明方法适用范围广，可用于各种舰船及工业用燃气轮机压气机、航空发动机压气机叶片的调频设计。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式：结合图1对本实施方式进行说明，
本实施方式给出的一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一、利用有限元计算分析程序Ansys Workbench对存在共振问题的压气机叶片(原始叶片)进行振动计算。
步骤二、叶片振动设计准则中，关于1阶弯曲共振有如下要求：在发动机稳态工作转速范围内，不应存在由发动机第1到第4阶次激振力和由已知结构因素(前两级静子、后一级静子、支板等)产生的基频激振力引起的共振；若这类共振不可避免，则共振的频率裕度和转速裕度不小于10％。
相对发动机第j状态的共振频率裕度和转速裕度按下式计算：
Figure BDA0002115884460000031
Figure BDA0002115884460000032
式中：fi——叶片第i阶共振动频(Hz)；
k——激振力的阶次；
Figure BDA0002115884460000033
——发动机k阶次激励叶片第i阶的共振转速(r/min)；
nj——发动机第j状态的工作转速(r/min)；
Figure BDA0002115884460000034
——发动机第j状态k阶次激励叶片第i阶共振频率裕度；
Figure BDA0002115884460000035
——发动机第j状态k阶次激励叶片第i阶共振转速裕度；
根据步骤一中的振动计算结果(通过坎贝尔图直观呈现)，结合叶片振动设计准则，明确叶片振动方面存在的风险，进而确定叶片的目标频率值。
步骤三、降低频率通过叶根减薄、叶顶增厚及根减薄顶增厚三种方式实现；提高频率通过叶根增厚、叶顶减薄及根增厚顶减薄三种方式实现。为达到步骤二中的目标频率值，根据上述叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定性关系，初步给出沿径向各叶身截面叶型的具体厚度值(与原始叶型相比，变化范围控制在1～2mm)，作为调频设计的方案一。
步骤四、对方案一中的叶片进行振动计算，也是在有限元计算分析程序AnsysWorkbench中进行的；基于计算结果，利用线性插值的方法总结出叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定量关系，参照此定量关系并依据步骤二中的目标频率值，可给出方案二叶片。
步骤五、基于步骤四种的方案二叶片，通过微调最终找出合理的叶型调整方案即符合步骤二中目标频率值得叶片，这里称之为最终叶片；
步骤六、对步骤五中的最终叶片进行强度校核和整机气动性能核算，以保证其满足气动和强度的要求。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对存在共振问题的压气机叶片进行振动计算；
步骤二、根据步骤一中的振动计算结果，结合叶片振动设计准则，明确叶片振动方面存在的风险，进而确定叶片的目标频率值；
步骤三、基于步骤二中的目标频率值，根据叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定性关系，初步给出沿径向各叶身截面叶型的具体厚度值，记为方案一；
步骤四、对方案一中的叶片进行振动计算，基于计算结果，总结出叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定量关系，参照此定量关系并依据步骤二中的目标频率值，给出方案二叶片；
步骤五、基于步骤四中的方案二叶片，通过微调最终找出合理的叶型调整方案，即符合步骤二中目标频率值的叶片，记为最终叶片；
步骤六、对步骤五中的最终叶片进行强度校核和整机气动性能核算，以保证其满足气动和强度的要求。
2.根据权利要求1所述一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，其特征在于，步骤一所述的进行振动计算是基于有限元计算分析程序Ansys Workbench实现的。
3.根据权利要求1所述一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，步骤四所述的对方案一中的叶片进行振动计算是基于有限元计算分析程序Ansys Workbench实现的。
4.根据权利要求1所述一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，其特征在于，步骤二中叶片的振动计算结果通过坎贝尔图直观呈现。
5.根据权利要求1所述一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，其特征在于，步骤三所述初步给出沿径向各叶身截面叶型的具体厚度值中的叶型具体厚度值，与原始叶型相比，变化范围控制在1～2mm。
6.根据权利要求1所述一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法，其特征在于，步骤四中所述的叶片频率变化与叶型厚度调整之间的定量关系通过线性插值的方法得到。
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