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叶轮叶片有限元分析 - 涡轮增压器叶片振动特性分析

2018年01月24日 16:21 网络整理 作者: 用户评论(0

  1.3.1叶轮叶片有限元分析

  叶轮大、小叶片均采用铝合金材料,材料的线膨胀系数变化很小,取23.1,材料密度为2680kg/m3;泊松比随着温度变化而变化,取0.30(在温度较高的时候,变化较迟缓);弹性模量为69800N/mm2。有限元建模采用自由方式划分单元网格(见图2),并对叶片采用固定根部方法加以约束(见图3)。模态分析时,模态提取采用分块BlockLanczos方法,该方法计算精度很高,计算速度比Subspace法更快。本文分析提取了大小叶片对应的前5阶模态(见图4和图5)。单元类型为:20节点实体SOLID95,大叶片单元数目为3433个,小叶片单元数目为748个。考虑增压器叶片旋转离心力时,叶轮叶片的各阶固有频率见表1。由表中的数据可以分析得到,转速的存在,增加了相应的频率。对于同一阶频率而言,转速越高,相应的频率越高;在同一转速,对低阶频率的影响较之高阶频率的影响更大。在转速为80000r/min时,由于离心力的影响,小叶片固有频率最大增加的百比为0.92%,大叶片固有频率最大增加的百分比为2.46%;在转速为120000r/min时,小叶片固有频率最大增加的百分比为1.89%,大叶片固有频率最大增加的百分比为5.26%。

涡轮增压器叶片振动特性分析
涡轮增压器叶片振动特性分析
涡轮增压器叶片振动特性分析

  1.3.2涡轮叶片的有限元分析

  涡轮叶片材料采用合金钢,其线膨胀系数随温度变化很小。材料密度为7730kg/m3;泊松比取为0.25;弹性模量为1.88E11N/mm2。在有限元单元划分中,采用几种不同精度进行,结果发现,单元稠密度对叶片的固有频率影响甚微。本文中采用了6级精度单元网格划分(见图6),得出涡轮叶片单元目为4343个。对叶片同样采用固定根部约束(见图7),模态提取采用分块BlockLanczos方法。本次分析提取了涡轮叶片对应的前10阶模态(图8中画出了前5阶振型)。元类型为SOLID95(20nodes)。在计算固有频率时,考虑叶片旋转离心力的影响,通过叶片的模态计算可得涡轮叶片前10阶固有频率,其计算结果见表2。

涡轮增压器叶片振动特性分析

  2、叶片的振动特性分析

  根据实际工况,该增压器转子转速为80000~90000r/min,叶轮的大叶片为7个,小叶片为7个。考虑小叶片影响比较小,可以得出叶轮激振频率为(80000/60)×7×n~(90000/60)×7×nHz(n为正整数),从而得到叶轮的激振频率约为:9333n~10500nHz,即为9333,18667,28000,37333,46667,56000…。据前面有限元分析计算,可得大叶片的前5阶固有频率为9461,19015,28619,32321,40388Hz;小叶片前5阶固有频率16000,34086,47212,50491,59875Hz。通过对比分析可知,此叶轮模型的大小叶片都有可能存在共振现象。当激振力的频率为9333Hz和18867Hz等时,大叶片发生共振;而当激振力的频率为46667Hz等时,小叶片发生共振。涡轮的叶片为11个,可以得出涡轮激振频率为(80000/60)×11×n~(90000/60)×11×n(n为正整数),从而得到涡轮的激振频率约为14667n~16500nHz,即为14667,16500,29333,33000,44000,49500,58666,66000,73333,…。根据前面有限元分析得到的涡轮叶片的前10阶固有频率(见表2),把涡轮的激振频率与涡轮叶片的前10阶固有频率对照分析后可知,此模型的涡轮叶片存在共振现象。当激振力的频率为16500Hz时,涡轮叶片发生共振。叶片共振很容易造成叶片的损坏,这说明增压器在工作转速下,叶片发生共振的可能性比较大,即其工作可靠性比较低。

  3、小结

  压气机的工作转速为80000~90000r/min,在考虑离心力的影响下,通过叶片的振动特性分析可以得到压气机叶轮激振频率为9333n~10500nHz(n为正整数),它们和大叶片第1阶以及第2阶固有频率、小叶片第3阶固有频率接近。故大叶片容易发生一阶和二阶弯曲共振,小叶片容易发生三阶弯曲共振。而涡轮叶片的激振频率为14667n~16500nHz,它们和涡轮叶片的的第2阶固有频率接近,故涡轮叶片容易发生二阶弯曲共振。这不但造成压气机噪声过大,而且叶片容易损坏。有效的解决办法是:改变叶片的厚度,并尽量减少叶片的不均匀度,以及避免叶片的激振频率落在其共振频率范围内。

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( 发表人:姚远香 )

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