水下航行器燃氣渦輪機葉輪模態分析

趙 軍, 單曉亮, 樊曉波

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水下航行器燃氣渦輪機葉輪模態分析

趙 軍1, 單曉亮1, 樊曉波2

(1. 海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2. 中國船舶重工集團第705研究所 昆明分部, 云南 昆明, 650118)

為了避免水下航行器燃氣渦輪機在工作時發生共振, 在合理的假設條件下建立了燃氣渦輪機葉輪的有限元模型, 利用有限元分析軟件ANSYS的循環對稱方法對其進行了模態分析, 并對前12階振型進行了討論, 分析了葉輪轉速和工作溫度對葉輪模態的影響, 所得結論符合工程實際規律, 對水下航行器燃氣渦輪機的安全使用、結構設計和動力學分析具有重要的參考價值。

水下航行器; 燃氣渦輪機; 有限元模型; 循環對稱方法; 模態分析

0 引言

水下航行器擬采用燃氣渦輪機, 由于部分進氣、安裝誤差以及工況變化等原因, 其在工作過程中將受到氣流不均勻產生的激振力。對旋轉的葉輪來說, 激振力是周期性的, 從而導致葉輪的振動。尤其是部分進氣, 是激振力的主要來源, 對渦輪機的振動特性具有顯著影響。當葉輪振動的固有頻率等于脈沖激振力頻率或為其整數倍時, 葉輪將發生共振, 此時振幅較大, 并產生很大的交變動應力。因此, 為保證燃氣渦輪機的安全運轉, 非常有必要研究葉輪的振動特性。本文采用ANSYS有限元分析軟件, 通過對水下航行器燃氣渦輪機的葉輪進行模態分析, 獲得了結構模態參數, 分析了結構振動特性, 并研究了工況變化對葉輪振動特性的影響, 為燃氣渦輪機的動態響應分析提供參考。

1 燃氣渦輪機基本結構特點

水下航行器特殊的工作環境決定了其所使用的燃氣渦輪機具有以下結構特點。

1) 在燃氣渦輪機中, 工質的流量小, 但是進入工作葉片氣道的工質流速又很大(一般為超音速), 根據連續方程可知, 渦輪級通流部分的總截面積必然很小, 因而葉片很短。

2) 由于工質的流量小, 如果整圈均裝設噴嘴, 勢必導致噴嘴的高度過小, 從而使噴嘴的損失急劇增加, 嚴重影響渦輪級的效率。為提高噴嘴高度和改善渦輪機的工作質量, 就必須減少噴嘴數目, 只能在一部分圓弧上裝設。因此, 不是所有的工作葉片同時都有工質流過, 而當工作葉片進入噴嘴工作弧度時才有工質通過,這種情況稱為部分進氣。部分進氣對渦輪機的振動特性有著顯著影響[1]。

3) 在反力式渦輪機中, 由于葉片越短, 相對漏氣量越大, 從而損失也越大, 使渦輪機效率下降, 故水下航行器渦輪機多采用沖動式渦輪機。沖動式渦輪機工作葉片的葉型具有對稱的形式, 并構成了寬度幾乎不變的工作通道。

2 有限元模型和邊界條件

2.1 葉輪有限元網格建模

由于葉輪結構具有循環對稱性, 即可將葉輪看成是由1個基本扇形段沿周向重復若干次而成的結構, 而且葉輪的邊界條件也具有同樣的重復性。因此, 為降低分析的規模, 可采用循環對稱模態分析方法, 就是僅針對基本扇形段進行模態分析, 然后將基本扇形段的分析結果進行循環對稱擴展, 即可得到整個葉輪的分析結果。

建立實體模型時, 在不對模態分析結果造成顯著影響的基礎上, 將葉輪基本扇形段的幾何結構作適當簡化: 忽略一些小尺寸的倒腳和倒圓[2]; 由于該水下航行器擬采用的是短葉片純沖動式渦輪機, 這就決定了燃氣渦輪機葉片橫截面形狀在葉高方向上變化很小, 并且葉柵寬度與葉片弦長非常接近, 因此將葉片看作等橫截面葉片, 并將葉片橫截面形狀看作軸對稱。

將pro/E軟件建立的實體模型導入至ANSYS分析環境中, 在ANSYS中采用Solid92單元對實體模型進行網格劃分, 共獲得3 714個Solid92單元和6 862個節點。劃分好網格的基本扇形段的有限元模型如圖1所示。

圖1 葉輪基本扇形段有限元網格模型

2.2 邊界條件

施加邊界條件前首先應確保全局坐標系為柱坐標系, 然后將節點坐標系旋轉到與全局坐標系一致的方向。另外, 還需在ANSYS的前處理器中指定基本扇區的數目、所占據的圓周角度和所在的坐標系號。

位移邊界條件根據葉輪的裝配關系確定。分析時, 主要限制葉輪前、后端面的軸向位移。值得注意的是, 葉輪高速旋轉時, 葉片受到離心力的作用, 故在分析葉輪振動模態時應考慮離心力的影響。因在模態分析中唯一有效的載荷是零位移約束, 故為考慮離心力的影響可將離心力作為預應力來加載。

由于只模擬了1個基本扇區, 所以在進行模態分析前還應在ANSYS中指定節徑范圍。由于前幾個節徑的前幾階振型對結構的振動影響較大, 故本文只針對前3個節徑的前4階振型(即葉輪的前12階振型)進行分析。對基本扇形段分析完畢后, 可利用ANSYS中的/CYCEXPAND命令對基本扇形段的振型進行循環對稱擴展, 從而得到整個葉輪的振型。

3 子葉輪模態分析

3.1 穩定工況時的葉輪模態

水下航行器燃氣渦輪機的葉輪尺寸不大, 葉片短小, 所以將葉片和輪盤做成一體, 材料選用高鉻不銹鋼2Cr13, 密度7 750 kg/m3, 在800℃時楊氏模量152 GPa。葉輪轉速為18 000 r/min, 平均溫度為800℃時, 提取前3個節徑的前4個模態, 固有頻率及振型描述如表1所示。進行循環對稱擴展得到包括60個葉片的葉輪振型圖, 如圖2所示。從分析結果來看, 同一節徑下同一固有頻率具有2種振型, 這2種振型的振動形式是完全一樣的, 唯一不同的是振動相位的差異, 故對于同一固有頻率, 圖2僅給出了1種振型。圖2中, 每組圖的左圖是振型的正視圖, 右圖是振型的側視圖。

通過對表1和圖2分析可知, 節徑兩側的質點振動方向是相反的, 兩節徑所成夾角的角平分線上的質點振幅最大; 在節徑為1時的前2階振型中輪盤發生了比較明顯的振動變形, 而其他節徑的前2階振型中輪盤均未產生明顯變形。

表1 葉輪模態及振型

圖2 葉輪振型圖

3.2 工況變化對葉輪模態的影響

水下航行器航行時需要進行換速, 這造成了燃氣渦輪機工況的變化, 主要體現在葉輪轉速和葉輪工作溫度的變化上。而葉輪轉速和工作溫度的變化必然對葉輪的振動特性造成影響, 下面將討論工況變化對葉輪模態的影響。

1) 葉輪轉速對葉輪模態的影響

為更準確地了解離心力對葉輪的振動特性的影響, 在葉輪平均溫度為800℃時, 針對葉輪轉速為12 000 r/min、18 000 r/min和25 000 r/min這3種工況來進行葉輪的模態分析。分析結果如表2所示。因為每一節徑下的1、2階振型的頻率相同, 3、4階振型的頻率相同, 故表2中對于每一節徑只列出了2個頻率。

表2 不同葉輪轉速時的葉輪模態

2) 溫度變化對葉輪模態的影響

為了解溫度變化對葉輪振動特性的影響, 在葉輪轉速為18 000 r/min時, 針對葉輪平均溫度為700℃、800℃和900℃這3種工況來進行葉輪的模態分析。在分析時, 分別將對應溫度下的彈性模量代入到有限元模型中, 分析結果如表3所示。

表3 不同溫度時的葉輪模態

通過分析轉速和溫度對葉輪模態的影響可知, 在制定航行器的航速和速制指標時, 應充分考慮葉輪受到的激振力的頻率, 避免共振的發生。

4 結論

綜上所述, 通過利用ANSYS對葉輪進行模態分析, 得到以下結論:

1) 節徑兩側的質點振動方向是相反的, 兩節徑所成夾角的角平分線上質點振幅最大;

2) 對應的固有頻率隨轉速的增大而增大;

3) 對應的固有頻率隨葉輪平均工作溫度的升高而減小;

4) 制定航行器的航速和速制指標時應充分考慮葉輪受到的激振力頻率, 避免共振的發生。

通過模態分析獲得的對葉輪振動特性的了解對水下航行器燃氣渦輪機的設計、試驗、改進和使用具有重要的指導作用。另外, 實際上葉輪工作溫度并非均勻一致的, 而是存在一定的溫度梯度, 這使得葉輪材料的彈性模量值也并非處處相同, 因此為使葉輪模態分析結果更為符合實際, 可考慮將靜力學分析(離心預應力的計算)、溫度場分析和模態分析進行耦合。

[1] 趙寅生.魚雷渦輪機原理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2002.

[2] 王建平, 朱建公, 周憲珠. 三維強化拋光振動臺的有限元模態分析[J]. 裝備制造技術, 2007(1): 3-4. Wang Jian-ping, Zhu Jian-gong, Zhou Xian- zhu. The Finite Element Modal Analysis of the Three Dimensions Strengthening and Polishing Vibrating Table[J]. Equipment Manufactring Technology, 2007(1): 3-4.

[3] 沈士一, 康松, 莊賀慶, 等. 汽輪機原理[M]. 北京: 中國電力出版社, 1992.

Modal Analysis of Gas Turbine Impeller for Underwater Vehicle

ZHAO Jun1, SHAN Xiao-liang1, FAN Xiao-bo2

( 1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033; 2. Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China)

To avoid resonance while gas turbine of underwater vehicle is working, a finite element model of gas turbine impeller is established under reasonable hypothesis. Modal analysis of the impeller is performed with the cyclic symmetry method of ANSYS, 12-order modes are discussed, and the influences of rotation speed and temperature on the modal of impeller are analyzed. The conclusions are in accordance with actual characteristics in engineering, which may contribute to the safe use, structure design and dynamics analysis of the gas turbine for underwater vehicle.

underwater vehicles; gas turbine; finite element model; cyclic symmetry method; modal analysis

TJ630.32; TP242.3

A

1673-1948(2011)03-0214-04

2010-01-27;

2010-08-18.

趙 軍(1967-), 男, 碩士, 副教授, 研究方向為水下航行器總體技術.

(責任編輯: 陳 曦)