二代单晶涡轮叶片振频分析

崔智勇 李曙光 龙波 苗国磊

摘  要：采用ANSYS软件对某型航空发动机单晶涡轮叶片的振频进行了分析，在有限元模型的基础上加载边界条件及约束关系，计算出叶片在设计工况下的振动频率。设计评估叶片振动频率，避开由于重要激励因素引起的振动。评估替代材料的可行性。

关键词：ANSYS;单晶涡轮叶片;振频分析

1 引言

目前，现役航空发动机单晶涡轮叶片，由于叶片短，材料密度大，振动频率高，这种新型材料要适应高性能发动机的设计要求，设计需评估替代材料叶片的振动频率，避开由于重要激励因素引起的振动和共振，对单晶涡轮叶片开展振动特性计算分析。

2 理论基础

其中[M]为质量矩阵，是根据每个单元密度以单元计算出来的，一致质量矩阵式通过单元的各节点平分，非对角线单元为零，表明质量集中分配到節点上。[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵。

式中为特征向量，表示第i阶自振频率的振型，ωi为i阶自振角频率（rad/s），表示i阶模态的固有频率（特征值），自振频率：fi=ωi/2π。

模态分析中忽略阻尼，忽略施加载荷。预应力模态分析前要执行静力结构分析。

3有限元模型

采用ANSA软件对计算模型进行网格划分，有限元模型见图1。其中单元数为119744，节点数为206245。用ANSYS17.0进行计算和后处理，计算坐标系为柱坐标系，坐标系轴向沿发动机轴线，顺气流方向为正，坐标系径向远离发动机轴线方向为正，坐标系周向由右手法则确定，燃气涡轮逆时针旋转。对实体模型进行有限元网格划分，进、排气边网格设置划分相对于叶身尺寸小、精度高。

4 工况

单晶涡轮叶片与涡轮盘组合成涡轮转子，工作时逆时针旋转，起飞最大转速38500 转/分（100%），最大连续转速37800转/分（98.3 %）。

5 材料数据

涡轮叶片材料是“单晶”金属合金，材料数据见表1。

8结论

理论计算燃气涡轮工作叶片采用进口材料、替代材料的一阶弯曲振动频率分别为5265.7 Hz、5188.4 Hz，相差77.3 Hz，相差较小较为接近，采用替代材料进行替代的可行性强。

参考文献：

[1]《航空发动机设计手册》总编委会. 航空发动机设计手册 第18册 叶片轮盘机主轴强度分析（第一版）.北京：航空工业出版社，2001.9

[2]张 波，盛和太.ANSYS 有限元数值分析原理（第一版）.北京：清华大学出版社，2005.9

[3]小枫工作室编.最新经典ANSYS及Workbench教程（第一版）.北京：电子工业出版社，2004.6

作者简介：崔智勇，1970年，高级工程师，主要从事航空产品研制工作。D56A1769-15CF-4E0E-A4A9-A06FE7550D6F