轴流压气机转子叶片非同步振动的声传播特征研究

围绕某型涡扇发动机压气机内部噪声环境下转子叶片气固耦合振动失效问题,开展某型涡扇发动机压气机流道内部噪声测量试验,主要研究压气机高压一级转子叶片发生非同步振动(NSV)时压气机流道内部声波传播特征。针对压气机高压一级转子叶片发生NSV时,研究了6个测点位置处噪声信号特征,确定了噪声源位置以及特征频率噪声信号沿压气机周向和轴向位置的传播特性,并应用环形管道声传播基本理论,初步计算了压气机内部特征频率噪声信号的基本物理特性。分析结果表明:诱发高压一级转子叶片NSV的声信号应起源于高压一级转子叶片排位置处;该声信号沿轴向位置的传播方式为:从高压一级转子叶片排位置向两端传播;周向传播方式为:周向阶数为6的声模态与转子旋转方向相反的方向传播;压气机内部声共振是诱发转子叶片NSV的主要原因。研究的内容和结论,对分析航空发动机压气机转子叶片故障问题、提高压气机性能和工作稳定性具有重要的参考价值。     

透平叶片结构设计与振动特性网格无关性研究

振动损坏是透平转子叶片最主要失效模式之一,其失效关系到整台机组的工作可靠性。为保证全寿命周期内工作安全可靠,在设计阶段需要对透平转子叶片进行详细振动分析,采用有限元法对叶片进行频率分析时,由于叶片网格划分密度的差别,可能对振动特性计算结果造成较大影响。本文根据某型燃机气动设计情况,进行了透平转子叶片结构设计,完成结构设计后,进一步基于ANSYS进行了振动特性分析,通过研究网格密度对叶片振动频率的影响,探究了对该榫接式叶片频率计算结果无影响的合理网格密度,指导后续同类机组透平叶片设计。     

高压压气机转子叶片振动特性分析

基于ANSYS软件对某型航空发动机高压压气机第一级转子叶片的振动特性进行了分析研究,建立了叶片的三维有限元模型,采用分块Lanczos法,计算得到了叶片在发动机常用工况转速下的各阶自振频率、相应振型及振动应力分布,找出了应力较大的薄弱区域.最后考虑了高压压气机进口导流叶片后形成的气流尾迹对此级转子叶片的激振影响,得到该级转子叶片的共振图,结果证明该转子叶片在常用工况转速下,不会因为进口导流叶片后的气流尾迹引发共振.为叶片的后续结构分析、实验及振动排故提供了必要的数值依据.     

离心力场作用下的燃气轮机压气机叶片振动模态分析

分析燃气轮机压气机叶片在离心力场作用下导致的动频相较于无载荷时的固有频率(静频)不同之处,求出叶片工作时的真实振型和共振频率对于提高叶片的动态性能有重要的作用。通过对某重型燃气轮机轴流式压气机某级动叶片的数字化建模和振动模态分析,分别计算得出了压气机叶片在无载荷、离心力场作用下的前六阶固有频率、动频及振型云图,分析了离心力场作用下叶片的应力分布状态,以及离心力场对叶片固有频率的影响。根据转子转速区间,分析了三种不同转速产生的离心力场对叶片频率的影响趋势。计算结果表明:离心力场使叶片产生动力刚化效应,使叶片的各阶动频相较固有频率有所增大;离心力场对基频影响最为显著,当转子转速为6000 r/min时,基频相对偏差达63.73%;动力刚化效应与转子转速呈正相关,叶片转速增大导致动频增大,且基频增大最为显著。     

流固耦合下轴流压气机叶片振动特性数值研究

气流扰动触发的叶片振动是导致叶片疲劳失效的主要原因,针对此问题,首先,建立叶片流固耦合时域计算模型,研究叶片振动特性,并进行叶片失效分析;其次,建立压气机叶片振动分析模型,结合叶片振动试验来验证模型的有效性;然后,考虑气体与叶片的耦合作用,通过数值仿真模拟得到典型工况下的叶片表面气动载荷,并将其引入旋转叶片有限元振动分析模型进行叶片振动响应计算;最后,引入坎贝尔图确定叶片危险工况,得到危险工况下的叶片动应力分布,并进行叶片疲劳失效分析。结果表明:临界工况下叶片振动应力分布与发生共振的模态振型密切相关;临界转速下叶片发生的1阶共振是造成叶片失效的主因。     

单级近失速工况全环非定常数值模拟研究

对低速轴流单级使用数值模拟的方法,研究靠近稳定边界处,压气机内详细的流场结构.对于不同叶高,随着叶片高度增加,叶片的压差越大,负荷越大.对转子前缘的压力数值探针结果进行傅里叶分析且表明,转子周向上出现了两种不同旋转周期的静压扰动,分析不同周向点的压力结果,呈现的扰动现象不同.由于叶尖间隙的存在,产生了叶尖泄漏涡,并且与...     

低压压气机转子叶片振动特性计算与分析

利用优化的八节点超参数单元法对某型发动机低压压气机转子叶片的振动特性进行了计算分析,并结合转子结构和发动机工作状态深入分析了可能发生的危险共振情况,发现第二级转子叶片抗振性能不好,为转子叶片的在线监测与故障预报提供了重要依据。     

某航空发动机压气机叶片轮盘耦合振动分析

基于循环对称结构固有特性的有限元分析原理,对某型航空发动机压气机叶片轮盘耦合ANSYS软件进行了分析计算,根据计算结果分析了该压气机叶片轮盘耦合结构的振动特性,为其设计优化和振动安全性检验提供了数值依据.     

铝叶片剥蚀损伤及其预防

目前国内外尚有不少压气机转子的2～5级叶片采用铝合金(17,2)制造,一般采用正常时效(模压成型后淬火时效)后使用。但外场检查发现,按这种方法生产的叶片一般使用50～100小时后,表面即出现不同程度的剥蚀损伤(图1),严重的可导致叶片折断,影响压气机功率,甚至引起喘振。为予防叶片早期失效,将叶片淬火后进行升高温度和延长时间的时效处理(称过时效),从而提高叶片的剥蚀抗力,延长叶片的使用寿命。本文通过断口分析,金属薄膜检查和振动疲劳试验,揭示了两种不同时效处理的叶片在组织结构和使用性能方面所起的变化,为铝叶片剥蚀——疲劳失效     

高炉煤气余压发电透平机转子叶片的断裂分析

为分析研究透平机转子叶片的损坏机理,提高叶片使用可靠性,依据高炉煤气余压、余热发电透平机转子叶片的结构设计、加工工艺、叶片的测频、使用工况等条件,对该装置的转子-轴承系统的临界转速、振动特性进行了分析。通过计算分析,转子系统的振动特性符合有关旋转机械转子系统整体振动的设计规范;叶片的静态应力水平符合所用材料的许用应力;叶片的固有频率与工作时的激励频率有足够的避开量。分析结果为该设备的失效原因提供了理论根据,提高了设备日常维护工作的有效性。     

基于Kriging插值的失谐叶盘气动 结构耦合振动特性分析

以某型航空发动机压气机转子为研究对象,考虑叶盘间动静干涉的影响,对压气机叶盘转子内部的三维流场进行了模拟。通过静频试验引入叶片失谐量,基于Kriging模型完成了耦合界面载荷数据的传递,分析了压气机转子叶片表面非定常气动载荷的分布规律,并讨论了失谐和气动载荷对压气机转子叶盘系统振动特性的影响。结果表明：压气机叶片受到的气动载荷为非定常脉动压力,主导频率为动静干涉频率f0的倍频;在干涉周期T内,压力面和吸力面气动载荷的变化呈相反趋势,且压力面气动载荷的非定常性明显大于吸力面气动载荷的非定常性;失谐和气动载荷的作用加剧了叶盘系统的振动。研究结果为压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。     

LP compressor blade vibration characteristics at starting conditions of a 100 MW heavy-duty gas turbine

In this paper are presented the blade vibration characteristics at the starting conditions of the low pressure multistage axial compressor of heavy-duty 100 MW gas turbine. Vibration data have been collected through strain gauges during aerodynamic tests of the model compressor. The influences of operating modes at the starting conditions are investigated upon the compressor blade vibrations. The exciting mechanisms and features of blade vibrations are investigated at the surge, rotating stall, and buffeting flutter. The influences of operating modes upon blade dynamic stresses are investigated for the first and second stages. It is shown that a high dynamic stress peak of 120 MPa can occur in the first stage blades due to resonances with stall cell excitations or with inlet strut wake excitations at the stalled conditions.     

静止叶片式空气压缩机的研究

提出了一种新型静止叶片式空气压缩机,该压缩机具有一个做摆动运动的转子和一个静止不动的叶片,叶片的外端与气缸的内孔壁面密封紧固连接,叶片的侧端与端盖密封紧固连接,借此减少了气体直接从压缩腔向吸气腔窜逸的通道,有效地消除了压缩机在这些部件间的泄漏损失和摩擦损耗。介绍了压缩机的结构特点及工作原理,建立了压缩机的数学模型。研究表明:转子的扭摆惯性力矩对滑块与叶片运动副的摩擦及磨损有较大影响,应减小转子的转动惯量以降低滑块与叶片间的接触力;转子与端盖的轴向间隙对压缩机内部泄漏损失十分敏感,应采取轴向密封措施以减少转子轴端处的泄漏量。     

静叶尾迹对压气机动叶非定常气动载荷的影响

以某型航空发动机压气机转子系统为研究对象,建立了单级叶盘的三维结构及流场模型。通过对滑移网格(sliding mesh,简称SM)方法与运动坐标系(moving reference frame,简称MRF)方法在计算耗时和收敛性方面的比较,证明了运动坐标系方法的准确性和高效性。考虑前一级静叶尾迹的影响,求解压气机内部在不同时刻的流动特性,得到静叶尾迹对动叶流场的非定常干扰情况。经过对压气机叶顶和轮毂、动叶压力面和吸力面非定常气动载荷的分析发现:在动叶流场的前缘形成了较主流区压力和速度较低的不均匀流场,且在动叶前缘叶顶位置受到的气动载荷最为显著;动叶压力面和吸力面气动载荷的分布规律相反,从叶顶至轮毂、前缘至尾缘,压力面非定常气动载荷的大小和波动幅度逐步递减,而吸力面却与其相反,呈现出逐步递增的趋势。该研究为某型航空发动机压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。     

砂粒粒径对航空涡轴发动机压气机叶片冲蚀磨损的影响研究

高原、沙漠和沿海等服役环境中不同粒径的砂粒不可避免地对涡轴发动机压气机叶片造成冲蚀磨损,破坏叶片叶型和动力学特性,严重危及涡轴发动机使用寿命和直升机飞行安全。基于Finnie冲蚀磨损理论推导了颗粒对金属表面的磨损率表达式,分析颗粒粒径对材料冲蚀磨损率的影响,以某型涡轴发动机压气机动叶和静叶为研究对象,设计搭建砂粒冲击速度测试装置和钛合金冲蚀磨损实验装置,通过典型砂粒粒径下冲蚀磨损实验获取磨损率表达式中与靶材材料和冲击速度相关的关键参数,结合气固两相流动力学分析开展砂粒粒径对压气机动叶和静叶冲蚀磨损的影响研究。结果表明：砂粒粒径与冲击速度存在内在关联,材料冲蚀磨损率与砂粒冲击速度呈幂函数关系。实验条件下,砂粒粒径由177 μm增至423 μm时,其冲击速度平均降低约17%。压气机动叶和静叶的磨损集中区域不随砂粒粒径的改变而变化,但磨损程度差异明显,其中177 μm砂粒对动叶和静叶造成的最大冲蚀磨损率浓度值相比423μm砂粒分别增加91%和131%。研究结果为涡轴发动机压气机叶片抗磨损设计提供了理论参考。     

叶尖碰摩诱发的转子系统振动响应数值分析与试验研究

针对透平机械中叶尖碰摩诱发的转子系统振动问题,基于转子-叶片-定子耦合系统模型,通过对叶尖碰摩过程的数学表征,采用谐波平衡法和Newmark-β法,分别对转定子的稳态响应和瞬态响应进行数值计算,并分析了不同参数对系统振动响应的影响。通过分析发现,叶尖碰摩下的转定子稳态响应会呈现出“硬式”非线性特征;偏移量增加会导致峰值偏移提前,非线性特征更明显;接触刚度增加使得系统的振动加剧,并且离散性增加;叶片数增加后,“削峰”现象更加明显。由于定子的约束,系统的瞬态响应峰值明显被限制了,同时,在过临界转速后,系统会出现一个不稳定运动,使得系统振动出现瞬时增加。除了仿真分析,还基于转子-叶片碰摩试验台,对叶尖单侧碰摩下的转子和定子振动位移进行了测试。从测试结果可知,转轴的振动响应也会体现叶片的振动特征,而从定子的振动响应中可以看出由于转子涡动导致的频率调制现象。     

Time-dependent vibration frequency reliability analysis of blade vibration of compressor wheel of turbocharger for vehicle application

Blade vibration failure is one of the main failure modes of compressor wheel of turbocharger for vehicle application. The existing models for evaluating the reliability of blade vibration of compressor wheel are static, and can not reflect the relationship between the reliability of compressor wheel with blade vibration failure mode and the life parameter. For the blade vibration failure mode of compressor wheel of turbocharger, the reliability evaluation method is studied. Taking a compressor wheel of turbocharger for vehicle application as an example, the blade vibration characteristics and how they change with the operating parameters of turbocharger are analyzed. The failure criterion for blade vibration mode of compressor wheel is built with the Campbell diagram, and taking the effect of the dispersity of blade natural vibration frequency and randomness of turbocharger operating speed into account, time-dependent reliability models of compressor wheel with blade vibration failure mode are derived, which embody the parameters of blade natural vibration frequency, turbocharger operating speed, the blade number of compressor wheel, life index and minimum number of resonance, etc. Finally, the rule governing the reliability and failure rate of compressor wheel and the method for determining the reliable life of compressor with blade vibration is presented. A method is proposed to evaluate the reliability of compressor wheel with blade vibration failure mode time-dependently.     

Measuring the total pressure in the relative motion of the flux behind a compressor rotor

A nontraditional method is proposed for measuring the total pressure behind the compressor rotor in relative motion of the gas flux. The operation of a rotary probe is considered. The flow pattern at the exit from the rotor’s blade channel is determined.