叶盘结构振动.pptx

第六章 叶轮机械叶盘结构振动 研究轮盘振动的意义 在航空发动机的设计过程中为了提高推重比，轮盘机构往往设计的很轻。特别是有限元对轮盘的精确设计及强度分析与轮盘优化技术的不断提高，使轮盘有可能变得很薄。这不仅使轮盘本身易于振动，而且因厚度越来越薄的轮盘其刚度有时几乎与叶片的刚度相近，从而使轮盘振动对叶片的振动特性有较大影响，平且会产生叶——盘的耦合振动。这种振动有时能和叶轮机中的非定常气流相互作用，使得气流中的能量诱发叶——盘系统自激振动，从而导致大量叶片迅速破坏或多个榫头或榫槽出现裂纹。因此，为了设计出既轻且刚性合适又安全可靠的轮盘，十分有必要轮盘的振动特性。 轮盘的分类 风扇轮盘 压气机轮盘 涡轮盘 加强密封盘 按功能分 轮盘的分类 中心联结 外缘联结 按结构形式分 固有振动 强迫振动 自激振动 轮盘的振动类型 轮盘的振动类型 伞形振动 又称节圆振动。这种振动形式对称于盘的中心，沿轮盘径向盘面不同直径上呈现质点不动的的一个或数个节圆，节圆上质点的振幅等于零。 扇形振动 又称节径振动。轮盘振动时，在盘面上出现一条或数条沿径向均匀分布的节线，这种节线称为节径，它们在盘面上对称分布。各个通过轮心沿盘圆均匀分布的节径将盘分成凹凸分布的若干部分。 轮盘的振动类型 复合振动 伞形振动和扇形振动组合而成的振动为复合振动。这种振型所对应的固有频率一般很高，其产生的振动应力也较小，通常情况下发动机不考虑其危险性。 影响轮盘振动的因素 1、叶片对轮盘振动固有频率的影响 实际的轮盘都装有叶片，由于轮盘的厚度越来越薄，致使盘与叶片的刚性相近，这样叶片势必会对轮盘的振动产生一定影响。并可能出现叶——盘耦合振动，其振动特性主要是盘片耦合振动问题。与轮盘振动相同，耦合振动也有两种基本振动形式。即节圆振动和节径振动。高阶振动是这两种基本振动的复合。 影响轮盘振动的因素 2、转速对轮盘振动固有频率的影响 一般轮盘都处于高速旋转的工作状态，承受着轮盘自身的离心力和轮盘外缘叶片离心力的作用。离心力竭力使盘面保持原来不变形时的平面形状，这相当于增加了盘的刚性，因而旋转状态下的轮盘振动固有频率要高，并且随着转速的增大而升高。 影响轮盘振动的因素 3、温度对轮盘振动固有频率的影响 高压压气机盘的工作温度较高，盘面的温差从前到后呈迅速递增之势，尤其是后几级盘上温差可达100——200°C，此时温度对轮盘振动固有振动频率有一定影响，不应忽略。通常涡轮盘的厚度较大，热容量较大。另外涡轮盘在高温的燃气包围中，其径向和轴向都有较大的温度梯度，这使涡轮有较大的热应力。一般而言高温使轮盘材料的弹性模量减小，从而使轮盘的固有振动频率下降。 轮盘的行波振动与临界转速 在轮盘产生扇形振动时，节线相对于盘有可能处于静止状态也可能处于转动状态。后者称之为轮盘的行波振动或动波。对于旋转轮盘，当节线的旋转方向与轮盘的转向相同时，称该波为顺行波（前行波）；当两个转向相反时，称为逆行波（后行波）。 轮盘静止时： 对于盘上的任一质点，每通过一个单独的动波时，该质点振动一次，所以当动波相对于轮盘旋转一周，盘上的质点振动m次（m表示节径数），即意味着质点振动的角频率是动波移动角速度的m倍。 振动频率和旋转速度之间的关系 轮盘的强迫振动 2、燃气流不均匀引起的振动。 发动机的构件将气流分成流束，在稳定的工作状态下，燃气流束作用力的强度可能不随时间而变化。因此若轮盘在这种情况下不旋转，则作用在轮缘每一点上的力将不随时间而变化。当轮盘旋转时，轮缘各点依次通过所有气流束，此时，气流分成流束后会产生周期力的效果。在这种情况下，当激振周期力的频率和驻波的频率相重合时会出现共振现象，因为此力相对轮盘是不动的，与顺行波和逆行波同时处于共振状态。 3、轴挠度引起的轮盘振动。 如果有一根轮盘的不动轴作横向振动，则轴有一个周期力矩作用在盘上，引起盘作扇形振动，其振动节径为奇数。 轮盘振动的能量计算法 非旋转态轮盘扇形振动的低阶频率可以用能量法来确定。 ω ——在振动过程中轮盘上某点对中心位置的的偏移； f (r) ——两平分相邻节线夹角的轮盘直径截面的弹性方程； r —— 中截面上某点的向量半径； Ψ ——半径r与邻近的节线间的夹角； m ——节径数目； P ——轮盘的固有频率 轮盘振动的解析计算法 （1.4） 轮盘固有频率系数α