基于ANSYS的某涡喷发动机涡轮动频计算

王克选，宋 军，姜年朝

(南京模拟技术研究所，江苏南京210016)



基于ANSYS的某涡喷发动机涡轮动频计算

王克选，宋 军，姜年朝

(南京模拟技术研究所，江苏南京210016)

动频是涡喷发动机涡轮设计计算的难点和关键之一。基于ANSYS软件，计算了某涡喷发动机的涡轮结构的动频及模态。计算结果满足该涡喷发动机的动力学设计要求，涡喷发动机启动后未发生共振，并且振动水平较小，表明该涡喷发动机涡轮动频计算的正确性。

涡轮 模态 动频 ANSYS

0 引言

涡轮是涡喷发动机的重要组成结构，其任务在于把来自燃烧室的高温高压燃气的热能转换成涡轮轴上的机械能[1-2]。因此，涡轮结构的可靠性对涡喷发动机的能量转换至关重要。资料表明，涡轮的故障主要是由于振动疲劳产生的破坏[3-6]。因此，在发动机设计时必须考虑涡轮结构的振动。

涡喷发动机的旋转部件，都在高速旋转状态下工作，转动使涡轮产生很大的质量离心力。这个力通常以一个拉力的方式作用在涡轮的截面上，迫使振动的涡轮有恢复到原平衡位置的趋势，增加了涡轮的刚度，使涡轮的自振频率增高，该频率不同于静止状态下的频率，称为动频[3,5]。由于涡轮高速旋转，振动频率和振型的获取非常困难[1-2]。涡喷发动机的动频率多用试验方法在发动机上直接测得[5-6]。

基于ANSYS软件，利用该软件的模态分析功能[7]，计算了某无人机用涡喷发动机涡轮动频和振型。

1 涡轮动频计算

涡轮在旋转时，在振动最大振幅时具有势能，还有克服离心力场做的功，因此，可应用能量法来计算旋转叶片的动频，典型的计算公式为[5]：

fD2=f2+n2B

(1)

式(1)中，fD为计算动频；f为静频；n为计算状态的转速；B为动频系数。静频f是结构的基本特性，与旋转无关，可以很好确定。在转速n确定后，该状态下的动频fD仅与动频系数B有关。动频系数也称结构的影响系数，它是结构面积和弹性线变化的函数，不同的面积规律的振型不同，动频系数B也不一样。而计算旋转状态下的弹性线是十分困难[5-6]。

ANSYS软件是一款功能强大的有限元分析软件，广泛应用于工业领域的计算分析。利用该软件模态分析模块，在分析时加入涡轮转速，很方便得到该涡轮在不同振型下的频率[8-9]。

图1所示为某涡喷发动机涡轮的几何模型示意图，采用的是SOLID45单元，在ANSYS软件中建立该涡轮的有限元模型，考虑高速旋转的情况，计算得到了涡轮的主要模态，对其动力学性能进行评估。

图1 涡轮示意图 图2 整体有限元模型

建立有限元模型如图2所示，模态计算时模型约束为将安装螺孔处节点的轴向及径向位移限制为零，使其只有旋转自由度，模型载荷为绕轴的旋转速度。涡轮材料的力学性能参数如表1中所示。

表1 涡轮材料性能参数

2 动频计算结果

根据所建的有限元模型进行计算，结果如图3中所示，图3(a)、(b)、(c)分别对应前3阶主要模态。

图3 计算结果

提取该涡轮模态计算的振型模态和频率，各阶模态频率如表2中所示。

表2 涡轮主要模态及动频

3 试验验证

为验证涡轮设计合理和动频计算的正确性，进行台架试验，实时监测发动机振动水平，采集测试点三个方向的振动加速度幅值及主要频率成分。

图4 试验系统及传感器位置示意图

将数据采集分析系统用橡胶绳固定在试验台架，采集信号通过无线实时传输到采集分析系统，试验系统如图4所示。

监测结果如表3所示。监测点的振动水平较小，最大不超过0.1g，三个方向的振动水平随着检测频段的增大而增大，发动机前后方向振动明显高于其他两个方向。同时，发动机也未出现共振。

表3 监测到的三个主要方向不同频点的振动幅值

监测频点/Hz左右振动幅值前后振动幅值上下振动幅值620.120.0043g———0.0059g917.970.0060g———0.0117g1220.70.0069g0.0262g0.0137g1406.250.0073g0.0257g0.0062g1455.080.0116g0.0237g0.0060g1513.670.0086g———0.0060g1831.050.0095g0.0705g0.0126g

4 结论

使用ANSYS软件，计算了该涡喷发动机的涡轮的动频及模态，为该涡喷发动机的涡轮设计提供了参考。设计的涡轮及发动机试车性能较好，无共振发生，振动水平满足设计要求。表明计算结果的正确性。

由于涡轮在高温高压气体作用下高速旋转，承受的载荷较复杂，包含：旋转产生的离心力和高温产生的热负荷，另外还有气流的横向气体力、振动等作用力。所以在后续的优化中，不仅要考虑离心力，还需考虑温度、气动力等对涡轮动特性的影响。另外，根部安装形式影响其振型及动频，这也是后续需进一步研究的工作。

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Dynamic frequency calculation of the turbine in a turbojet engine based on ANSYS

WANG Kexuan, SONG Jun, JIANG Nianzhao

Dynamic frequency is one of the difficult and key points in the design and calculation of turbo jet engine. The dynamic frequency and modal analysis of the turbine structure of a turbojet engine are calculated based on the ANSYS software. The calculation results meet the design requirements for the dynamics of the turbojet engine. There is no resonance, and the vibration amplitude value was small after the start of the turbojet engine, which indicates that the calculation of dynamic frequency on the turbine is correct.

turbine, modal, dynamic frequency, ANSYS

TH113；V235.11

A

1002-6886(2016)06-0012-03

王克选，男，青海省西宁市人，研究方向：无人机结构设计。 宋军，男，江苏溧阳人，硕士，研究方向：无人机强度和试验。

2016-03-21