水下航行器燃气涡轮机叶轮模态分析

赵 军, 单晓亮, 樊晓波



水下航行器燃气涡轮机叶轮模态分析

赵 军1, 单晓亮1, 樊晓波2

(1. 海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033; 2. 中国船舶重工集团第705研究所 昆明分部, 云南 昆明, 650118)

为了避免水下航行器燃气涡轮机在工作时发生共振, 在合理的假设条件下建立了燃气涡轮机叶轮的有限元模型, 利用有限元分析软件ANSYS的循环对称方法对其进行了模态分析, 并对前12阶振型进行了讨论, 分析了叶轮转速和工作温度对叶轮模态的影响, 所得结论符合工程实际规律, 对水下航行器燃气涡轮机的安全使用、结构设计和动力学分析具有重要的参考价值。

水下航行器; 燃气涡轮机; 有限元模型; 循环对称方法; 模态分析

0 引言

水下航行器拟采用燃气涡轮机, 由于部分进气、安装误差以及工况变化等原因, 其在工作过程中将受到气流不均匀产生的激振力。对旋转的叶轮来说, 激振力是周期性的, 从而导致叶轮的振动。尤其是部分进气, 是激振力的主要来源, 对涡轮机的振动特性具有显著影响。当叶轮振动的固有频率等于脉冲激振力频率或为其整数倍时, 叶轮将发生共振, 此时振幅较大, 并产生很大的交变动应力。因此, 为保证燃气涡轮机的安全运转, 非常有必要研究叶轮的振动特性。本文采用ANSYS有限元分析软件, 通过对水下航行器燃气涡轮机的叶轮进行模态分析, 获得了结构模态参数, 分析了结构振动特性, 并研究了工况变化对叶轮振动特性的影响, 为燃气涡轮机的动态响应分析提供参考。

1 燃气涡轮机基本结构特点

水下航行器特殊的工作环境决定了其所使用的燃气涡轮机具有以下结构特点。

1) 在燃气涡轮机中, 工质的流量小, 但是进入工作叶片气道的工质流速又很大(一般为超音速), 根据连续方程可知, 涡轮级通流部分的总截面积必然很小, 因而叶片很短。

2) 由于工质的流量小, 如果整圈均装设喷嘴, 势必导致喷嘴的高度过小, 从而使喷嘴的损失急剧增加, 严重影响涡轮级的效率。为提高喷嘴高度和改善涡轮机的工作质量, 就必须减少喷嘴数目, 只能在一部分圆弧上装设。因此, 不是所有的工作叶片同时都有工质流过, 而当工作叶片进入喷嘴工作弧度时才有工质通过,这种情况称为部分进气。部分进气对涡轮机的振动特性有着显著影响[1]。

3) 在反力式涡轮机中, 由于叶片越短, 相对漏气量越大, 从而损失也越大, 使涡轮机效率下降, 故水下航行器涡轮机多采用冲动式涡轮机。冲动式涡轮机工作叶片的叶型具有对称的形式, 并构成了宽度几乎不变的工作通道。

2 有限元模型和边界条件

2.1 叶轮有限元网格建模

由于叶轮结构具有循环对称性, 即可将叶轮看成是由1个基本扇形段沿周向重复若干次而成的结构, 而且叶轮的边界条件也具有同样的重复性。因此, 为降低分析的规模, 可采用循环对称模态分析方法, 就是仅针对基本扇形段进行模态分析, 然后将基本扇形段的分析结果进行循环对称扩展, 即可得到整个叶轮的分析结果。

建立实体模型时, 在不对模态分析结果造成显著影响的基础上, 将叶轮基本扇形段的几何结构作适当简化: 忽略一些小尺寸的倒脚和倒圆[2]; 由于该水下航行器拟采用的是短叶片纯冲动式涡轮机, 这就决定了燃气涡轮机叶片横截面形状在叶高方向上变化很小, 并且叶栅宽度与叶片弦长非常接近, 因此将叶片看作等横截面叶片, 并将叶片横截面形状看作轴对称。

将pro/E软件建立的实体模型导入至ANSYS分析环境中, 在ANSYS中采用Solid92单元对实体模型进行网格划分, 共获得3 714个Solid92单元和6 862个节点。划分好网格的基本扇形段的有限元模型如图1所示。

图1 叶轮基本扇形段有限元网格模型

2.2 边界条件

施加边界条件前首先应确保全局坐标系为柱坐标系, 然后将节点坐标系旋转到与全局坐标系一致的方向。另外, 还需在ANSYS的前处理器中指定基本扇区的数目、所占据的圆周角度和所在的坐标系号。

位移边界条件根据叶轮的装配关系确定。分析时, 主要限制叶轮前、后端面的轴向位移。值得注意的是, 叶轮高速旋转时, 叶片受到离心力的作用, 故在分析叶轮振动模态时应考虑离心力的影响。因在模态分析中唯一有效的载荷是零位移约束, 故为考虑离心力的影响可将离心力作为预应力来加载。

由于只模拟了1个基本扇区, 所以在进行模态分析前还应在ANSYS中指定节径范围。由于前几个节径的前几阶振型对结构的振动影响较大, 故本文只针对前3个节径的前4阶振型(即叶轮的前12阶振型)进行分析。对基本扇形段分析完毕后, 可利用ANSYS中的/CYCEXPAND命令对基本扇形段的振型进行循环对称扩展, 从而得到整个叶轮的振型。

3 子叶轮模态分析

3.1 稳定工况时的叶轮模态

水下航行器燃气涡轮机的叶轮尺寸不大, 叶片短小, 所以将叶片和轮盘做成一体, 材料选用高铬不锈钢2Cr13, 密度7 750 kg/m3, 在800℃时杨氏模量152 GPa。叶轮转速为18 000 r/min, 平均温度为800℃时, 提取前3个节径的前4个模态, 固有频率及振型描述如表1所示。进行循环对称扩展得到包括60个叶片的叶轮振型图, 如图2所示。从分析结果来看, 同一节径下同一固有频率具有2种振型, 这2种振型的振动形式是完全一样的, 唯一不同的是振动相位的差异, 故对于同一固有频率, 图2仅给出了1种振型。图2中, 每组图的左图是振型的正视图, 右图是振型的侧视图。

通过对表1和图2分析可知, 节径两侧的质点振动方向是相反的, 两节径所成夹角的角平分线上的质点振幅最大; 在节径为1时的前2阶振型中轮盘发生了比较明显的振动变形, 而其他节径的前2阶振型中轮盘均未产生明显变形。

表1 叶轮模态及振型

图2 叶轮振型图

3.2 工况变化对叶轮模态的影响

水下航行器航行时需要进行换速, 这造成了燃气涡轮机工况的变化, 主要体现在叶轮转速和叶轮工作温度的变化上。而叶轮转速和工作温度的变化必然对叶轮的振动特性造成影响, 下面将讨论工况变化对叶轮模态的影响。

1) 叶轮转速对叶轮模态的影响

为更准确地了解离心力对叶轮的振动特性的影响, 在叶轮平均温度为800℃时, 针对叶轮转速为12 000 r/min、18 000 r/min和25 000 r/min这3种工况来进行叶轮的模态分析。分析结果如表2所示。因为每一节径下的1、2阶振型的频率相同, 3、4阶振型的频率相同, 故表2中对于每一节径只列出了2个频率。

表2 不同叶轮转速时的叶轮模态

2) 温度变化对叶轮模态的影响

为了解温度变化对叶轮振动特性的影响, 在叶轮转速为18 000 r/min时, 针对叶轮平均温度为700℃、800℃和900℃这3种工况来进行叶轮的模态分析。在分析时, 分别将对应温度下的弹性模量代入到有限元模型中, 分析结果如表3所示。

表3 不同温度时的叶轮模态

通过分析转速和温度对叶轮模态的影响可知, 在制定航行器的航速和速制指标时, 应充分考虑叶轮受到的激振力的频率, 避免共振的发生。

4 结论

综上所述, 通过利用ANSYS对叶轮进行模态分析, 得到以下结论:

1) 节径两侧的质点振动方向是相反的, 两节径所成夹角的角平分线上质点振幅最大;

2) 对应的固有频率随转速的增大而增大;

3) 对应的固有频率随叶轮平均工作温度的升高而减小;

4) 制定航行器的航速和速制指标时应充分考虑叶轮受到的激振力频率, 避免共振的发生。

通过模态分析获得的对叶轮振动特性的了解对水下航行器燃气涡轮机的设计、试验、改进和使用具有重要的指导作用。另外, 实际上叶轮工作温度并非均匀一致的, 而是存在一定的温度梯度, 这使得叶轮材料的弹性模量值也并非处处相同, 因此为使叶轮模态分析结果更为符合实际, 可考虑将静力学分析(离心预应力的计算)、温度场分析和模态分析进行耦合。

[1] 赵寅生.鱼雷涡轮机原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2002.

[2] 王建平, 朱建公, 周宪珠. 三维强化抛光振动台的有限元模态分析[J]. 装备制造技术, 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, 庄贺庆, 等. 汽轮机原理[M]. 北京: 中国电力出版社, 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.

赵 军(1967-), 男, 硕士, 副教授, 研究方向为水下航行器总体技术.

(责任编辑: 陈 曦)