CN112943699B - 一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法 - Google Patents

一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其步骤如下：(1)基于压气机静叶‑机匣结构的三维几何模型，建立有限元模型，在室温下对静叶‑机匣结构进行振动计算；(2)输入随温度变化的材料性能，以最严酷设计工况下的温度场、气动载荷和腔压作为载荷输入，对静叶‑机匣结构进行振动计算；(3)分别计算共振转速裕度和频率裕度不足的共振点，确定静叶的目标优化频率；(4)调整静叶周向弯角，分别计算其相应的频率；(5)分析不同弯角对频率的影响规律，拟合出叶片频率与弯角调整之间的定量关系，结合目标优化频率值确定叶片弯角的调整方案；(6)结合气动设计结果，进一步优化弯角和叶型，使叶片满足气动性能的前提下，其主要振动频率避开工作转速范围，确定静叶最终优化方案。

Description

一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法
技术领域
本发明属于压气机结构强度技术领域，涉及一种压气机静叶减振设计方法，具体涉及一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，以解决压气机静叶在设计过程中静叶调频困难的问题，在使静叶主要振动模态有效避开低阶共振的前提下，提高了静叶调频设计的效率，且静叶弯角调整裕度大，调频效果明显，还能减小上下端壁处的分离区，减小气动损失。
背景技术
现代高性能航空发动机设计采用高叶尖切线速度、低展弦比前/后掠叶片、整体叶盘、整体叶环等结构，使得振动模态密集、结构和气动阻尼显著下降，为减振设计带来更大的挑战。
当激振频率与叶片的固有频率相等时，叶片会发生共振。一旦发生强迫共振，很容易使叶片产生高循环疲劳，造成叶片以至于发动机的破坏。发动机在整个工作范围内，叶片无法完全避开所有共振。因此在设计阶段来保证叶片在经常工作的状态下避开主要有害共振。
叶片避开主要有害共振措施有改变激振力、改变叶片固有振动频率、提高抗力和增加阻尼等。其中改变叶片固有频率是一种最常用的措施，通常是通过改变叶片的材料或者改变叶片的造型实现。
更换材料只有当材料的比刚度相差较大时才有效。改变叶片的造型常通过加厚或减薄叶身尺寸来实现调频，但压气机叶片较薄，改变叶片厚度会造成气动性能衰减，叶片厚度的调整裕度较小，使得频率调整范围也较窄，常常无法满足调频的需求。若重新设计叶片必然会延长设计周期，增加设计难度，亟需一种能同时兼顾振动和气动性能的高效减振优化设计方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中的技术缺陷，本发明为解决现有压气机静叶设计时在满足气动性能前提下通过增厚/减薄等手段常常无法满足调频需求的技术问题，提供了一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，以解决在设计过程中压气机静叶调频困难的问题，在使静叶主要振动模态有效避开低阶共振的前提下，提高了静叶调频设计的效率，且静叶弯角调整裕度大，调频效果明显，还能减小上下端壁处的分离区，减小气动损失。
(二)技术方案
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其特征在于，该方法实现至少包括如下步骤：
SS1.基于原始压气机静叶-机匣结构的三维几何模型，建立有限元模型，并根据原始压气机静叶-机匣结构在常温下的材料性能，在室温下对原始压气机静叶-机匣结构进行振动计算；
SS2.输入原始压气机静叶-机匣结构随温度变化的材料性能，以最严酷设计工况下的原始压气机静叶-机匣结构的温度场、气动载荷和腔压作为载荷输入，对原始压气机静叶-机匣结构进行振动计算；
SS3.提取原始压气机静叶室温下的固有频率f0和最严酷设计工况下的频率fd，根据激振倍频绘制坎贝尔图，分别计算共振转速裕度和频率裕度不足的共振点，结合振动评估结果，确定压气机静叶的目标优化频率值fob；
SS4.在允许范围内按线性变化规律调整静叶周向弯角λi，分别计算相应周向弯角λi下的叶片固有频率
Figure BDA0002942215350000021
SS5.分析不同周向弯角λi对叶片固有频率
Figure BDA0002942215350000031
的影响规律，并通过多项式拟合出叶片固有频率
Figure BDA0002942215350000032
与周向弯角λi调整之间的定量关系，结合目标优化频率值fob确定叶片周向弯角的调整角度；
SS6.结合气动设计结果，进一步优化周向弯角和叶型，使叶片满足气动性能的前提下，其主要振动频率避开工作转速范围，确定压气机静子叶片的最终优化结构。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS1中，基于原始压气机静叶-轮盘结构的三维几何模型，通过定义单元类型、划分网格，建立原始压气机静叶-机匣结构的有限元模型。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS2中，原始压气机静叶-机匣结构随温度变化的材料性能通过材料手册获得，所述最严酷设计工况是指设计工作状态下最大气动转速nd工况。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS3中，叶片初始室温下固有频率为f0和最大气动转速nd工况下的频率fd，在转速ni下对应的频率
Figure BDA0002942215350000033
按下式进行差值：
Figure BDA0002942215350000034
式中：f1—工作频率，B—动频系数，
Figure BDA0002942215350000035
绘制坎贝尔图，频率线代表各阶自振频率随转速的变化情况，放射线为由压气机叶片结构参数确定的倍频激振力线；竖直实线为各工况的工作转速线，分别计算共振转速裕度和频率裕度不足的共振点；
频率裕度和转速裕度按下式进行计算：
Figure BDA0002942215350000036
Figure BDA0002942215350000041
式中：f1—工作频率，f0—激振频率，n1—共振转速，n1—工作转速；
结合振动评估结果，确定静叶的目标优化频率fob，目标优化频率fob按下式进行计算：
Figure BDA0002942215350000042
式中，nmax为最大工作转速，ki为共振转速的最大激振倍频。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS4中，静叶周向弯角λi每次调整的角度为1～5°。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS5中，静叶周向弯角λi对叶片固有频率
Figure BDA0002942215350000043
的影响规律为：降低叶片固有频率
Figure BDA0002942215350000044
可通过减小静叶周向弯角λi实现，提高叶片固有频率
Figure BDA0002942215350000045
可通过增大静叶周向弯角λi实现，且增大静叶周向弯角λi对一阶弯曲和一阶扭转频率提升效果最明显，对低阶共振调频效果明显。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS6中，压气机静叶最终优化结果中周向弯角控制在20°以内。
(三)同现有技术相比，本发明的有益效果
(1)本发明考虑了叶片周向弯曲对压气机静叶频率的影响，通过改变叶片周向弯角，从而改变叶片固有频率，使叶片主要振动模态避开工作范围。
(2)本发明提高了叶片调频设计的效率，解决压气机叶片在满足气动性能前提下通过增厚/减薄无法满足调频需求的问题。叶片周向弯角调整裕度大，调频效果明显，还能减小上下端壁处的分离区，减小气动损失。在基本保持原始设计方案基础上，能够快速迭代优化设计出同时满足振动和气动性能的叶片造型。
(3)本发明设计方法简单，非常适合工程设计应用，适用范围广，可用于航空发动机、燃气轮机压气机叶片减振设计。
附图说明
图1为本发明实施例的基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法流程图；
图2为本发明实施例所针对的压气机静叶-机匣结构最大气动状态下的温度场云图；
图3为本发明实施例叶片弯角示意图；
图4为本发明实施例针对的压气机静叶弯角调整示意图；
图5为本发明实施例所针对的压气机静叶-机匣结构减振优化设计前后对比图。
具体实施方式
本发明提出一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，为使本发明实施的目的、技术方案、特点及其工程实用性更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
依据如图1所示的实施流程，实现了对某压气机静叶减振优化设计，包括以下步骤：
SS1.基于原始压气机静叶-机匣结构的三维几何模型，通过定义单元类型、划分网格，建立原始压气机静叶-机匣结构的有限元模型，并根据原始压气机静叶-机匣结构在常温下的材料性能，在室温下对原始压气机静叶-机匣结构进行振动计算；
SS2.输入原始压气机静叶-机匣结构随温度变化的材料性能，材料性能通过材料手册获得。以最大气动工况下的压气机静叶-机匣结构的温度场(如图2所示)、气动载荷和腔压作为载荷输入，对压气机静叶-机匣结构进行振动计算；
SS3.提取压气机静叶室温下的固有频率f0和最大气动转速nd下的频率fd，在ni转速下对应的频率
Figure BDA0002942215350000061
按下式进行差值：
Figure BDA0002942215350000062
式中：f1—工作频率，B—动频系数。
Figure BDA0002942215350000063
绘制Campbell图，频率线代表各阶自振频率随转速的变化情况，放射线为由压气机叶片结构参数确定的倍频激振力线；竖直实线为各工况的工作转速线，分别计算共振转速裕度和频率裕度不足的共振点。如图5所示，本发明实施例原始设计叶片在工作转速范围内共存在4个共振点，均为前2阶(一阶弯曲和一阶扭转)低阶高危害性共振，需要调频设计。
频率裕度和转速裕度按下式进行计算：
Figure BDA0002942215350000064
Figure BDA0002942215350000065
式中：f1—工作频率，f0—激振频率，n1—共振转速，n1—工作转速。
结合振动评估结果，确定静叶的目标优化频率fob，目标优化频率fob按下式进行计算：
Figure BDA0002942215350000066
式中：nmax为最大工作转速，ki为共振转速的最大激振倍频。
SS4.在允许范围内按线性变化规律调整静叶周向弯角λi，每次调整的角度为1～5°，如图3所示。分别计算相应周向弯角λi下的叶片固有频率
Figure BDA0002942215350000071
分析不同叶片周向弯角λi对叶片固有频率
Figure BDA0002942215350000072
变化的影响规律。图4a为原始设计叶片，降低频率可通过减小弯角实现，如图4b所示；提高频率可通过增大弯角实现，如图4c所示，且增大弯角对前2阶(一弯、一扭)频率提升效果最明显。为达到SS3中的目标优化频率值fob，通过多项式拟合插值获得根据叶片固有频率与叶片周向弯角调整之间的定量关系，确定叶片周向弯角的调整角度；
SS5.结合气动设计结果，进一步优化叶片周向弯角和叶型，使叶片满足气动性能的前提下，其主要振动频率避开工作转速范围，确定静叶最终优化结果。图5为最终优化设计与原始设计叶片坎贝尔图对比，原始设计存在的4个共振点，通过采用本文提出的减振优化设计方法提高叶片固有频率，使得共振点全部调出工作转速范围。
综上所述，本发明提出的基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，通过改变叶片弯角，从而改变叶片固有频率，使叶片主要振动模态避开工作范围。解决压气机叶片在满足气动性能前提下通过增厚/减薄无法满足调频需求的问题。在基本保持原始设计方案基础上，能够快速迭代优化设计出同时满足振动和气动性能的叶片造型，非常适合工程设计应用，适用范围广，可用于航空发动机、燃气轮机压气机叶片减振设计。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的方法及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其特征在于，该方法实现至少包括如下步骤：
SS1.基于原始压气机静叶-机匣结构的三维几何模型，建立有限元模型，并根据原始压气机静叶-机匣结构在常温下的材料性能，在室温下对原始压气机静叶-机匣结构进行振动计算；
SS2.输入原始压气机静叶-机匣结构随温度变化的材料性能，以最严酷设计工况下的原始压气机静叶-机匣结构的温度场、气动载荷和腔压作为载荷输入，对原始压气机静叶-机匣结构进行振动计算；
SS3.提取原始压气机静叶室温下的固有频率f0和最严酷设计工况下的频率fd，根据激振倍频绘制坎贝尔图，分别计算共振转速裕度和频率裕度不足的共振点，结合振动评估结果，确定压气机静叶的目标优化频率值fob；
SS4.在允许范围内按线性变化规律调整静叶周向弯角λi，分别计算相应周向弯角λi下的叶片固有频率
Figure FDA0003590538540000011
SS5.分析不同周向弯角λi对叶片固有频率
Figure FDA0003590538540000012
的影响规律，并通过多项式拟合出叶片固有频率
Figure FDA0003590538540000013
与周向弯角λi调整之间的定量关系，结合目标优化频率值fob确定叶片周向弯角的调整角度；
SS6.结合气动设计结果，进一步优化静叶周向弯角和叶型，使叶片满足气动性能的前提下，其主要振动频率避开工作转速范围，确定压气机静叶最终优化结果。
2.根据权利要求1所述的基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其特征在于，所述步骤SS1中，基于原始压气机静叶-机匣结构的三维几何模型，通过定义单元类型、划分网格，建立原始压气机静叶-机匣结构的有限元模型。
3.根据权利要求1所述的基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其特征在于，所述步骤SS2中，原始压气机静叶-机匣结构随温度变化的材料性能，通过材料手册获得，所述最严酷设计工况是指最大气动转速nd工况。
4.根据权利要求1所述的基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其特征在于，所述步骤SS3中，叶片初始室温下固有频率为f0和最大气动转速nd工况下的频率fd，在转速ni下对应的频率
Figure FDA0003590538540000021
按下式进行差值：
Figure FDA0003590538540000022
式中：f1—工作频率，B—动频系数，
Figure FDA0003590538540000023
绘制坎贝尔图，频率线代表各阶自振频率随转速的变化情况，放射线为由压气机叶片结构参数确定的倍频激振力线；竖直实线为各工况的工作转速线，分别计算共振转速裕度和频率裕度不足的共振点；
频率裕度和转速裕度按下式进行计算：
Figure FDA0003590538540000024
Figure FDA0003590538540000025
式中：f1—工作频率，f0—激振频率，n1—共振转速，n0—工作转速；
结合振动评估结果，确定静叶的目标优化频率fob，目标优化频率fob按下式进行计算：
Figure FDA0003590538540000026
式中，nmax为最大工作转速，ki为共振转速的最大激振倍频。
5.根据权利要求1所述的基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其特征在于，所述步骤SS4中，静叶周向弯角λi每次调整的角度为1～5°。
6.根据权利要求1所述的基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其特征在于，所述步骤SS5中，静叶周向弯角λi对叶片固有频率
Figure FDA0003590538540000031
的影响规律为：降低叶片固有频率
Figure FDA0003590538540000032
可通过减小静叶周向弯角λi实现，提高叶片固有频率
Figure FDA0003590538540000033
可通过增大静叶周向弯角λi实现，且增大静叶周向弯角λi对一阶弯曲和一阶扭转频率提升效果最明显。
7.根据权利要求1所述的基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法，其特征在于，所述步骤SS6中，压气机静叶最终优化结果中静叶周向弯角控制在20°以内。
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