（机械制造及其自动化专业论文）轴流式压缩机叶片静动态特性分析.pdf

摘要 论文题目：轴流式压缩机叶片静动态特性分析 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：桂亮 指导教师：李德信副教授 摘要 签名：盔垒 签名：二朝毫俘一签名：吖备芝、f 亏一 叶片是压缩机的关键部件之一，其结构设计的合理与否直接影响到整机的性能，而叶 片性能的优劣主要体现在其静、动态等特性上。本文以一企业设计的某型号轴流式压缩机 叶片为研究对象，采用有限元分析与实验测试相结合的方法，对该叶片的强度、固有频率 和振型进行了研究。 首先针对叶片结构的高度扭曲性，以及采用常规建模方法不能很好将c a d 模型转化 为c a e 分析模型的问题，提出将叶片各截面型线分成多段，以建立带多条边界曲线的实 体模型。采用参数化设计软件s o l i d w o r k s 建立了叶片的三维实体模型，并通过数据接口 将其c a d 实体模型精确转换为a n s y s 环境下的c a e 分析模型。 在成功建立叶片有限元分析模型的基础上，采用a n s y s 软件分别计算了不同工作载 荷、不同约束情况下叶片的静态特性，得到其应力与变形的分布规律。研究结果表明叶片 的高应力主要由离心力产生，高应力区主要集中在叶根榫槽处，而气流力则主要引起叶片 的大变形，出现在叶顶部位。将叶根约束部位力的作用点内移，能有效改善实际运行中叶 根榫槽边缘经常出现裂纹的情况。 考虑到叶片动态特性研究的必要性，又对此类型叶片进行了固有频率、振型等特性的 计算。前4 阶振型依次表现为1 阶弯曲、2 阶弯曲、1 阶扭转和弯扭联合。由计算得到的 动频值绘制出了c a m p b e l l 图，分析发现叶片在工作转速下存在两个共振点，必须对其进 行调频。约束类型无论对其静频值还是动频值都影响不大。 最后采用频谱分析法测量了一级叶片的静频，实验测试值与数值计算值吻合良好，验 证了有限元计算的准确性。此外，从测试的同一级叶片静频值来看，少部分叶片分散度超 出标准，因此应提高加工精度和测频修频的准确性。 关键词：压缩机；叶片；静态特性；动态特性；频谱分析法； a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho ns t a t l ca n dd y n a m l cc h a r a c t e r l s t i co f t h eb l a d ei na x l a l f l o w i n gc o m p r e s s o r m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n n a m e ：l i a n gg u i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d e x i nl i a b s t r a c t s i g n a t u r e 垒乒址 s i g n a t u r e ：幽垒l ； a so n eo ft h ek e yp a r t so fc o m p r e s s o r s ，t h eb l a d e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew o r k i n g p e r f o r m a n c eo ft h ec o m p r e s s o r , e s p e c i a l l yi t s s t r u c t u r a ld e s i g nr a t i o n a l i t y 删l et h es t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r et h em a i na s p e c t si ne v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fb l a d e s i nt h i s t h e s i s ，o n et y p eo fb l a d ed e s i g n e db ya l le n t e r p r i s em a n u f a c t u r i n gt h ea x i a l f l o wc o m p r e s s o r si s u s e da st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i c si ns t r e n g t h , n a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d es h a p e a r es t u d i e db yc o m b i n i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da n de x p e r i m e n t sm e t h o d f i r s t ，c o n s i d e r i n gt h eh i 曲s k e w n e s so f b l a d e sa n dt h ep r o b l e mo fc o n v e r t i n gt h ec a dm o d e l i n t oc a em o d e lf r e e l yb yg e n e r a lm o d e l i n gm e t h o d s ，an e wm e t h o di sp u tf o r w a r df o rb l a d e s s o l i dm o d e lw i t hm o r et h a no n eb o u n d a r yc u r v e sb yd i v i d i n gt h ec r o s s s e c t i o n so ft h eb l a d e i n t o4 p a r t s s o l i d w o r k s ，ap a r a m e t r i cs o f t w a r e ，i su s e dt ob u i l du pt h et h r e e d i m e n s i o n a lc a d m o d e la n dt h e nt h em o d e lf o r c a ea n a l y s i si nt h ee n v i r o n m e n to fa n s y si so b t a i n e db y c o n v e r t i n gf r o mc a d m o d e lb yv i r t u eo f t h ed a t ai n t e r f a c e o nt h eb a s i so fs u c c e s s f u le s t a b l i s h i n go ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft h eb l a d es u b j e c t e dd i f f e r e n tl o a d sa n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e db ya n s y s s o 觚a r e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ta l eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e 1 l i g hs t r e s so ft h eb l a d ei sm a i n l yc a u s e db yc e n t r i f u g a lf o r c e ，w h i c hp r i m a r i l yo c c u r so n t e n o n g r o o v e so fb l a d er o o t s ，w h i l ea i r f l o wp r e s s u r ei sm o r ed o m i n a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h e d e f o r m a t i o nv a l u eo fb l a d e s ，d e f o r m a t i o na l w a y sr e a c h e st ot h em a x i m u mo nt h et o po fb l a d e s i na d d i t i o n , t h ec r a c kp h e n o m e n o no nt h et e n o n - g r o o v e so fb l a d er o o t sc a nb ea v o i d e dt os o m e e x t e n ti ft h ef o r c e dl o c a t i o ni so r d e r e dt oo f f s e tt h eb o u n d a r i e s c o n s i d e r i n gt h er e s e a r c hn e c e s s i t yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fb l a d e s , t h en a t r r a lf r e q u e n c y a n dm o d es h a p ea r ea l s oc a l c u l a t e d t h ef i r s t4m o d e sa r es h o w na so n eb e n d i n gm o d e 、t w o b e n d i n gm o d e 、o n et w i s t i n gm o d ea n db e n d i n g - t o r s i o n t h e nt h ec a m p b e l ld i a g r a mi sd r a w n b a s e do nt h ed y n a m i cf r e q u e n c yv a l u e s ，w h e r et w or e s o n a n c ep o i n t se x i s ti n t h en o r m a l i i i w o r k i n gc o n d i t i o n s i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s h a v el i n l ee f f e c to nt h es t a t i co rd y n a m i cf r e q u e n c y s p e c t r u ma n a l y s i s i sa d o p t e dt om e a s u r et h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ef i r s ts t a g eb l a d e sa n d t h en u m e r i c a lr e s u l t sa r er e a s o n a b l yc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lt e s t , w h i c hs h o w st h e v e r a c i t yo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i na d d i t i o n ，t h ed i s p e r s i t i e so faf e wb l a d e sa r eo u to f s t a n d a r di nf r o mt h et e s t e dn a t u r a lf r e q u e n c yv a l u e so fb l a d e s s oi ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h e a c c u r a c yo fm a c h i n i n ga n dt h ef r e q u e n c yo fm e a s u r e m e n ta n dr e p a i r m e n t k e yw a r d s ：c o m p r e s s o r ；b l a d e ；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；s p e c t r u ma n a l y i s ； i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 建! 叠j 如庐弓月仃目 学位论文使用授权声明 本人擅塾在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位沦文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：旌盎一 导师签名镒妻售礴3 射日 绪论 1 绪论 1 1 引言 压缩机是种叶片式旋转机械，它利用叶片和气体的相互作用，提高气体的压力和动 能，并利用相继的通流元件使气流减速，将动能转变为压力的提高。压缩机广泛应用在机 械制造业、石油化学工业、制冷与气体分离工程等诸多行业中。按照气体主要运动方向划 分，有离心式压缩机、轴流式压缩机和轴流离心组合式压缩机。它们都主要由装有动 叶的转子、静叶和机壳( 气缸) 组成，图1 - 1 即为某型号的拆去上机壳的轴流式压缩机。 圈1 1 某型号的轴流式压缩机实物及内部结构 f i gl - 1 s t c t u r e o f o n e t y p e o f a x l a l f l o w i n g m p 化s s 叫 叶片是透平机械中最重要的零件之一，透平叶片故障给国民经济带来损失巨大，统计 表明，叶片事故约占透平事故的4 0 。工作过程中叶片在气体的高温高压作用下，由于 承受离心力和气动力以及振动、腐蚀、氧化等作用，叶片断裂时有发生，叶片故障是造 成机组故障的主要原因之一。任何意外的叶片断裂都会导致用户的停机停产，国外许多大 型企业过去运行经验表明：因汽轮机、压缩机组故障而使整个工厂停工的约占2 5 ，其 中因设计不合理造成的事故占1 0 1 5 “1 ，造成的经济损失重大，严重时甚至发生人 员伤亡。 自透平机械产生后叶片断裂就一直困扰着设计师和操作人员，无论是汽轮机、燃气 轮机或是透平机均是如此叶片的安全可靠性直接影响汽轮机、压缩机或透平的运行安全， 其叶片或叶轮损坏问题始终是设计人员和用户最为关心的问题。任何意外的叶片断裂都会 导致用户停机、停产，造成重大的经济损失，严重时甚至发生人员伤产。造成叶片损坏的 西安理工大学硕士学位论文 原因是多方面的，有疲劳因素、环境因素、异物及机内零部件损坏、侵蚀、介质腐蚀、各 种应力作用以及蠕变振动等。尽管有许多先进的设计方式，但是叶片损坏仍在透平机械内 普遍存在，叶片断裂事故造成机组停产的事故在国内外大量存在，屡见不鲜，这方面的报 道经常见到，下面仅列举几例。 宝钢自备电厂0 号机组系日本川崎重工业株式会社生产的燃气轮机和汽轮机联合循 环机组。该机组于2 0 0 0 年4 月大修后，在并网前进行性能试验过程中发现机组振动异常， 经停机检查发现该机组中汽轮机末级叶片( 第1 5 级) 断裂，共计六片。 莱钢的日本三菱制造的轴流叶片，由于进口过滤失效，叶片磨损严重，风机运行两年 多即发生叶片断裂，导致整个转子叶片破坏，叶片承缸较大损伤。 湘潭钢铁公司日本制造的轴流风机，运行1 0 个月即发生第一级动叶断裂8 片事故。 断裂位置为从根部到叶顶的1 3 1 2 之间，断口有明显贝壳纹线，基本为叶片共振等因 素造成。 某炼油厂催化裂化装置的a g 0 6 0 1 4 l 5 型轴流一离心复合式压缩机自1 9 9 0 年1 月投 用以来，首级叶片曾发生过3 次断裂，都是从叶片根部断裂“1 。7 1 9 9 6 年，中国石油大庆石化分公司水气厂引进的撼7 0 8 0 型空压机叶片发生断裂， 裂纹部位距安装边约6 m m 的叶根进气边一侧，经研究d 发现主要是由于叶片进气边处有 外物碰撞引起的凹坑而导致叶片产生疲劳裂纹。 2 0 0 4 年齐文“1 对哈尔滨石化空压站发生的两台机组叶片断裂事故进行了分析。2 撑机 组一级叶轮的短叶片在距叶根4 m m 左右处由入口向出口方向出现一个长约5 5 m m 的裂 口。l # 机组一级叶轮的短叶片自入口处的根部约3 0 5 m m 左右处，向出口方向延伸约 1 2 5 m m x 6 5 m m 的一块叶片脱落。 2 0 0 6 年文献【5 】报道了某轴流式压缩机在运行过程中，在叶片型线底部距叶根部 1 0 m m 处多次发生第l 级叶片的断裂事故，导致重大的经济损失。 此外，在结构上和功能上与压缩机叶片都具有很大相似性的汽轮机叶片和水轮机叶 片，同样存在发生断裂事故的问题。1 9 9 9 年东深工程中部分水泵叶片发生裂纹n 1 ，裂纹 首先出现在叶片根部并向外延伸，研究后发现是由于局部应力集中造成叶片裂纹。2 0 0 0 年小浪底水利枢纽几乎所有的发电机组在初期运行时就发现了裂纹1 ，作者认为设计应 力偏高可能是早期产生裂纹的一个潜在因素。 从以上事故可以看出，造成叶片失效的绝大多数原因是振动疲劳损伤，因此，对于叶 片振动特性的研究倍受学术界和工程界的关注o 无论是压缩机，还是汽轮机或水轮机，叶 片结构设计的合理与否直接影响到整机的性能，而叶片性能的优劣主要体现在其静态、动 态等特性上面。叶片工作时会受到自身的离心力以及稳态和非稳态的气流力作用，非稳态 的气流力是叶片激振力的主要来源，非稳态气流力诱发的叶片强迫振动产生的动应力是叶 片失效的主要原因。当叶片或叶片组的固有频率等于或接近激振力的频率时，叶片的振动 就会加剧，从而产生较大的动应力，导致叶片疲劳破坏。因此在设计阶段，精确计算和分 2 1 绪论 析叶片、叶片组的固有频率和振型，对于避免可能发生的叶片事故是非常必要的。因此， 对叶片进行静、动态特性的分析是设计高质量叶片、避免其断裂事故发生的前提条件。有 关叶片强度、刚度以及动态特性方面的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外对叶片的研究现状及发展方向 叶片的断裂主要是由其工作应力决定的，工作应力又可分为静态应力和动态应力。静 应力主要与结构设计有关，一方面影响疲劳断裂，另一方面影响动应力的平均值。动应力 的大小与动载荷变化范围、动载荷频率、材料阻尼、叶片固有频率( 静频和动频) 以及动 载频率与叶片固有频率的避开率有关。精确分析叶片的应力状态，包括静态和动态应力， 就显得特别重要。国内外许多学者和研究人员在叶片的设计、应力分析及振动特性方面进 行了大量的研究工作，根据各位学者对叶片研究采取的分析方法不同，大体可以分为以下 三大类。 1 2 1 理论分析 理论分析是最基本的研究方法，它能深刻地认识现象的本质规律，指导产品的设计， 同时也是实验研究和数值计算分析的基础。 ( 4 9 ) ， 式中： 2 4 4 叶片的静态特性分析 单元的质量矩阵【m 】。= f 厶】r 【】咖。 歹 单元的哥氏力矩阵 】= 2 qf a 】r 【日】f 】咖 单元离心力刚度矩阵【群】。= q 2 胁】r 【日】r 【胃】【】西 ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) k l 单元离心力向量 q = q 2 似】r h i r h t y op 。 ( 4 1 3 ) ， 【z 。j 将各单元集合后即可求得整个叶片的平衡方程 【m 】 西“m g 】 彦卜f 疋】 万 + n 例r a d v = ，) + q + 绋 ( 4 1 4 ) 4 2 2 叶片的静力平衡方程 叶片的静力问题是与时间无关的，从式( 4 1 4 ) 得到如下的平衡方程： j i b 】r 咖。一 r ) = o ( 4 1 5 ) t ， 式中 灭) = 毋+ q c + 绋 + 【蜓】 毋 ， 0暑 在小变形范围内，不考虑位移对平衡方程的影响，有 f 【刀】r a d v = f 【风】r d b o d v 。 毋 ( 4 1 6 ) 则以上平衡方程变为以下形式： 【k 】 田= f 。+ q c 。+ 鳞 。 0tt ( 4 1 7 ) 式中，【蜀】为线性刚度矩阵。 4 2 3 离心力场下叶片运动有限元方程 处于离心力场下的弹性体被离散后其普遍适用的平衡方程式为： 且b 】r 盯) 咖一豇】r 厂) 咖= 丘】7 p ) 出+ r ) ( 4 1 8 ) 式中，【明单元的应变矩阵； p ) - 一单元内点的应力向量； 【朋单元形函数矩阵； 【力单元单位体积内的惯性力向量； 【纠单元单位面积上的压力： 西安理工大学硕士学位论文 物体上任意点a 相对o 点的刚体位置矢量为，o ，相应的弹性变形位移矢量是艿，则a 点 芦= 元+ 彦= ( x o + “) 7 + ( j + 1 ，) 歹+ ( z o + 叻石 ( 4 1 9 ) 并设角速度西：簖，石为转轴方向的单位矢量：石= 吃7 + ，歹+ 吃云 l 0 一吃嘭l 引雕吼耻h 以0 吾j 文献【4 6 】推导得出左端第二项： 肛加r 乃咖= 州】。 万) 。+ = q c + 尸 一 e 】十 尺 ( 4 2 1 ) 4 叶片的静态梅洼分析 【m c 】叶片总离心力质量矩阵； 绞) 叶片在原始状态下的离心力载荷向量； p 叶片上表面力的等效节点载荷向量； e 由于温度应力、残余应力等初应力引起的等效节点载荷向量； 似) 节点集中力向量。 4 2 4 叶片静力分析的有限元方程 对于转动的变形叶片来说，任意点在工作过程中产生的位移向量 可以看成两部分 组成： u = ( 万) + g ( 4 2 2 ) 式中 毋表示从原始形状变形到离心力场平衡位置时的位移， 以表示叶片在平衡位置附 近的微振动位移，它是时间t 的函数，在静力分析时则有 g = 0 ，且 万) = 万) = 0 ( 4 2 3 ) 则式( 4 2 1 ) 变为 ( 【k 】一q 2 【 彳c 】) 万) = 绞) + p ) 一 c + r ) ( 4 2 4 ) 这就是叶片静力分析的有限元平衡方程。 4 3 不同载荷下的应力、变形分析 当叶片工作时，作用在叶片上的力主要有两种：一种是由于透平高速旋转时叶片自身 质量产生的离心力；另一种是气流流过叶片产生的气流作用力“7 1 。不同载荷对叶片静态 特性的影响是有差别的。为了了解各种载荷对叶片静态特性的影响规律，本文将载荷分为 以下三种情况考虑：( 1 ) 仅承受离心力载荷；( 2 ) 仅承受气流力载荷；( 3 ) 离心力载荷和 气流力载荷同时作用。分别研究三种载荷情况下叶片的应变、应力分布规律。 4 3 1 仅考虑离心力情况下的应力、变形 离心力是在叶片高速旋转过程中由于其自身质量所产生的一种力，其大小与叶片质量 及转速有关。针对本文分析的叶片模型，其转速一般在1 0 0 0 - 一3 0 0 0 r p m ，因而本节就此范 围内分别计算其应力分布规律。 图4 - 2 ( a - c ) 分别为叶片在1 0 0 0 r p m 时x 、y 、z 三个方向的应力分布云图。三个方 向的最大应力均出现在叶根榫槽处，而叶型和叶根的其它部分均表现出较小的应力。x 、 2 7 西哥理工太学硕士学位论文 y 、z 三方向的最大应力分别为6 45 m p a 、8 03 m p a 、2 5 0 m p a ，很显然z 方向的应力远远 大于x 、y 方向。从理论上分析，离心力是沿z 方向指向转子中轴线，故在旋转过程中 产生的z 向应力要大于其它两个方向，有限元计算结果与实际情况是吻合的。综合三个 方向的应力得到叶片的v o n m