文档介绍：第二十八届(2012)全国直升机年会论文
燃气轮机涡轮转子叶片设计及动力学分析
潘永生1 杨库2 李成2
(1. 海军驻哈尔滨地区军事代表室;2. 中航工业哈飞,哈尔滨 150066)
摘要:燃气轮机涡轮转子叶片是燃气轮机的主要零部件之一,它的工作状态、工作环境、结构形式十分复杂。它的可靠性直接影响燃气轮机能否正常工作。有关统计资料指出,叶片的损坏事故中,绝大部分是由于振动引起的。因而,长期以来,叶片的振动一直是燃气轮机的一个普遍存在的严重问题,必须予以充分重视。由于外载荷、几何尺寸、材料性能等方面存在着不确定因素使振动具有随机性,从而影响叶片的可靠度。针对叶片工作中诸多参数的不确定性,如何进行动力学分析是结构设计和实际应用中一个十分重要的研究课题。
关键词:燃气轮机;叶片;振动;动力学
1 引言
燃气轮机广泛应用于航空、航天、船舶和电力等对国家安全和国民经济起着重要作用的领域及行业,尤其是水面舰船和航空飞行器的重要动力设备,对作战载体的战斗力起着举足轻重的作用,因此作战环境中燃气轮机的可靠性是保证战斗力的必要条件,而转子叶片是燃气轮机的关键零件,涡轮转子叶片在高温条件下高速旋转,承受离心力、气动力等循环交变载荷与动载荷作用,它的工作状态、工作环境、结构行为十分复杂,容易产生振动,统计资料表明,叶片的损坏事故中,绝大部分是由于振动引起的。因而,长期以来,叶片的振动一直是燃气轮机的一个普遍而又严重的问题,必须重视。所以对燃气轮机结构进行动力学分析,是十分必要的。
2 燃气轮机涡轮转子叶片力学分析
燃气轮机是一种连续回转的内燃、叶轮机械式的热机,主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部分构成。
涡轮是受力最为复杂的部分。涡轮由转子和静子组成,转子是涡轮转动部分的总称,由涡轮盘、涡轮轴、工作叶片(转子叶片)及联接零件等组成,参见图1。转子叶片是燃气轮机中受力、受热最严重的零件之一,是进行功能转换的重要零件。
图1 涡轮转子示意图
燃气轮机涡轮转子叶片由叶身、矩形缘板和燕尾形榫头三部分组成,见图2。叶身几何形状由叶背与叶盆表面上数据点的坐标,以流面形式给出。坐标系为发动机总体坐标系,x为转轴方向(向前
),z轴沿径向通过叶根截面重心,y轴沿周向,x y z组成右手系。
图2 叶片图
发动机工作时,燃气轮机涡轮转子叶片主要承受自身质量产生的离心力、气流的横向气体力、热负荷和振动负荷。本章将计算转子叶片的静强度可靠性。在计算涡轮转子叶片上的应力时,做如下假设:
把转子叶片看作根部完全固装的悬臂梁。忽略叶片承受各种负荷后产生的变形。
转子叶片仅承受自身质量离心力和横向气体力,只计算由离心力产生的拉伸应力和弯曲应力,以及由气体力引起的弯曲应力,不计叶片上的扭转应力、热应力和振动应力。
设转子叶片各截面的扭转中心(刚心)、气体力压力中心与重心三者重合,则离心力和气体力均作用于重心,叶片受力变形的情况将大为简化。
叶片自身质量产生的离心力
由于发动机的转速很高,故叶片自身的质量离心力很大。(11150r/min)工作时产生的离心力达7000多牛顿,为自重的23000多倍。叶片在其自身离心力的作用下,将产生很大的拉伸应力和弯曲应力,还能产生扭转应力。
离心力作用下的拉伸应力
图3 叶片微元体所产生的离心力
如图3所示,在叶片上取一个高度为dZ的微元段,并在该微元段上取一个微元体dXdYdZ,令微元体的面积,则微元体的离心力dP为:
式中:——叶片材料的密度;ω——转子旋转角速度;——微元体重心到旋转轴X的距离。
注意到,则离心力dP沿Z轴方向的分量为:
因此,截面积为A(Z)的叶片微元段质量所产生的沿Z轴方向的离心力为:
这样,就可求出转子叶片某一截面以上的叶片质量的离心力沿Z轴方向的分量为:
式中: ——叶尖处的Z坐标值;
A(Z) ——叶片横截面面积,是随Z坐标变化的函数。
则叶片某一截面上的离心拉伸应力为:
(1-1)
对于等截面叶片,常数,故式(3-1)变为
(1-2)
由式(1-2)可知,截面所在的坐标越小,则该截面上的离心拉伸应力越大,叶根截面上的离心拉伸应力最大,而在叶尖处为零。
离心力弯矩
由于转子叶片各截面重心的连线不与Z轴重合,所以叶片旋转时产生的离心力将引起离心弯矩。通常采用数值积分法计算离心力弯矩。
如图4所示,将叶片分成n段共n+1个截面,假定叶片各截面的面积A1和重心坐标为已知,则第i段叶片的离心力分量为:
图4 离心力弯矩计算简图
(1-3)
式中: ——叶片材料的密度; ——旋转角速度; ——第i段叶片的体积;
——第i段叶片重心(坐标为)到旋转轴的距离。
可近