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振动可靠性分析
杨库1 王玉成2 刘仁志2
(1. 中航工业哈飞;2. 海军驻哈尔滨地区军事代表室,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。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,如何进行振动可靠性分析是结构设计和实际应用中一个十分重要的研究课题。
利用ANSYS软件对叶片振动特性进行了分析,借助Camp bell图找出危险共振点,考虑某一激振力频率的分布和与其最为接近的某一阶固有频率的分布的干涉模型,对叶片避开共振的可靠度进行计算。分别得到35%额定功率工况、80%额定功率工况和100%额定功率工况下工作的叶片避开共振的可靠度,并借助叶片振动可靠性评估逻辑图(PFTA图)对这些危险共振点组成的串联特性的共振系统进行了振动可靠性计算。
关键词:燃气轮机;叶片;振动;动力学
1 引言
近年来航空、航天、船舶工程界对可靠性理论的应用给予了极大的关注。其原因之一是,航空与海洋工程系统日趋复杂,工作范围不断扩大,环境条件越发恶劣,对可靠性的要求越来越高。所以,对结构可靠性的分析、设计与保证措施已成为不可忽略的重要问题。另一原因是,由于新结构系统的不断出现,传统的设计方法已不适应,因此对结构开展基于可靠性分析的直接设计的要求,也越来越迫切。
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。它的可靠性直接影响燃气轮机能否正常工作。现代燃气轮机由于采用先进的气动和结构设计,应用高性能材料和先进工艺,使发动机的性能不断提高,与此同时结构完整性、可靠性问题也更加重要、更加突出。
2 国内外发展及研究状况
在生产实践中,许多机械零件的损坏同振动有关。沿用至今的机械零件传统的振动设计方法是把零件的振动设计量取为定值,虽然可以判断设计是否安全,但给不出设计的可靠性指标, 也无法解释有些机械零件的设计是安全的,以致在运行中发生损坏的现象经常出现。可靠性设计是现代设计理论和方法的主要内容之一,其特点是考虑了设计量离散性的影响,设计结果更为合理。虽然振动可靠性分析的概念在文[1-2]中已有介绍,但因振动问题比较复杂,振动可靠性的研究工作至今尚未有较大的发展, 故研究机械零件的振动可靠性设计是一项有益的工作[3]。
3 强度可靠性分析
分析方法
设叶片为等截面叶片。在不计振动应力和热应力的转子叶片静强度计算中,叶片截面上任一点的总应力就是该点的离心拉伸应力与弯曲应力的代数和,即:
(1-1)
图1 合成力矩图
通过叶片截面重心的最小惯性轴近似地平行于叶弦,其正向指向叶片后缘,轴与y轴的夹角为。合成弯矩、在,轴上的投影之代数和,即为、。通常只需要对叶片截面()上的A,B,C三点计算总应力。并假设叶片上的离心拉伸应力是均匀分布的,所以弯曲应力最大且为拉应力的点,就是总应力最大的点。
首先对A点进行分析,功能函数定义为抗力与内力之差。其基本列式为:
(1-2)
列出极限状态方程:
(1-3)
式中:、、——分别为叶片重心的坐标;
——叶尖的半径;
——叶跟的半