航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟
航空发动机强度复习题(参考答案)
航空发动机构造及强度复习题（参考答案）一、基本概念1.转子叶片的弯矩补偿适当地设计叶片各截面重心的连线，即改变离心力弯矩，使其与气体力弯矩方向相反，互相抵消，使合成弯矩适当减小，甚至为零，称为弯矩补偿。
2.罩量通常将叶片各截面的重心相对于 z 轴作适当的偏移，以达到弯矩补偿的目的，这个偏移量称为罩量。
3.轮盘的局部安全系数与总安全系数局部安全系数是在轮盘工作温度与工作时数下材料的持久强度极限T t，与计算轮盘应力中最大周向应力或径向应力之比值。
K T t / max 1.5 ~ 2.0 总安全系数是由轮盘在工作条件下达到破裂或变形达到不允许的程度时的转速n c ，与工作的最大转速 n m ax之比值。
K d n c/n max4.轮盘的破裂转速随着转速的提高，轮盘负荷不断增加，在高应力区首先产生塑性变形并逐渐扩大，使应力趋于均匀，直至整个轮盘都产生塑性变形，并导致轮盘破裂，此时对应的转速称为破裂转速。
5.转子叶片的静频与动频静止着的叶片的自振频率称为静频；旋转着的叶片的自振频率称为动频；由于离心力的作用，叶片弯曲刚度增加，自振频率较静频高。
6.尾流激振气流通过发动机内流道时，在内部障碍物后（如燃烧室后）造成气流周向不均匀，从而对后面转子叶片形成激振。
7.转子的自位作用转子在超临界状态下工作时，其挠度与偏心距是反向的，即轮盘质心位于轴挠曲线的内侧，不平衡离心力相应减小，使轴挠度急剧减小，并逐渐趋于偏心距 e ，称为“自位”作用。
8.静不平衡与静不平衡度由不平衡力引起的不平衡称为静不平衡；静不平衡度是指静不平衡的程度，用质量与偏心矩的乘积 me 表示，常用单位为g cm。
9.动不平衡与动不平衡度由不平衡力矩引起的不平衡称为动不平衡；动不平衡度是指动不平衡的程度，用 me 表示，常用单位是g cm 。
10.动平衡动平衡就是把转子放在动平衡机床上进行旋转，通过在指定位置上添加配重，以消除不平衡力矩。
压气机叶片流固耦合数值计算_陶海亮
（ （ ｋ Ｕｉ） ｋ） ρ ρ ＋ ＝ ｔ ｘ ｉ
ｋ 珟 Γ ｋ ＋Ｐ ｋ －Ｆ ｋ ＋Ｓ ｋ ｘ ｘ ｊ ｊ （ （ Ｕｉ） ω ω ω） ρ ρ Γ ＋ ＝ ＋ ω ｘ ｔ ｘ ｘ ｉ ｊ ｊ
（
）
（ ） ３
（
）
方法 对 跨 声 机 翼 颤 振 问 题 进 行 研 究 ， Ｓ ａ ｄ ｅ ｈ ｉ等 ｇ
的重要因素之一 ． 国内外学者对 颤 振 做 了 大 量 研 究 工 作 ， 目前
气动弹性 分 析 方 法 主 要 分 为 传 统 方 法 和 耦 合 方 刘文阁等人 法．
［ ３］
采用经验法对叶片失速颤振进
行研究 ， 在分析大 量 试 验 数 据 基 础 上 利 用 经 验 性
［］ 边界 曲 线 来 预 测 叶 片 气 弹 稳 定 性． Ｓ ｒ ｉ ｖ ａ ｓ ｔ ａ ｖ ａ４ ， ［］ ［］ Ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｋ ｓ ｅ ｎ５ 和 Ｇ ｎ ｅ ｓ ｉ ｎ 等人 ６ 采 用 能 量 法 对 三 维 ［ ７］ 叶片颤 振 进 行 分 析 ． Ｒ ｅ ｄ ｄ ｅ ｎ ｄ ｉ ｋ ｓ ｅ ｎ ｙ等人 和 Ｂ ８］ 等人 ［ 采用特征 值 法 对 叶 栅 颤 振 问 题 进 行 研 究 ．
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ８ ０ ５ ５ ２ ０ １ ２ ０ ５ １ ０ ５ ４ ０ ７ － － －
压气机叶片流固耦合数值计算
２ ２ ３ ３ ， 朱阳历１， ， 郭宝亭１， ， 谭春青１， 陶海亮１，
叶尖片削对压气机转子强度振动影响研究
1.叶尖片削控制参数根据压气机转子叶片的结构特点以及工作原理，叶尖片削由吸力面叶型轮廓线向压力面或者压力面向吸力面偏置一定距离形成。
叶尖片削控制参数主要由剩余叶尖厚2.强度振动计算模型本文选取某型压气机第1级转子为计算模型。
第1级叶片盘材料为常用钛合金，材料性能数据如表2所示。
采用商业有限元计算软件Workbench 对表1中的5种叶尖收稿日期：2022-10-25作者简介：朱银方（1984—），男，湖北十堰人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：航空发动机压气机设计。
叶尖片削对压气机转子强度振动影响研究朱银方 劳贤豪 黎 琨（中国航发湖南动力机械研究所，中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002）摘 要：统计结果显示，振动问题在航空发动机的故障中占比很高，而压气机转子叶片振动故障，在发动机使用过程中时有发生，且危害性较大。
因此，在设计过程中应采取有效措施避免振动问题，提升航空发动机质量，提高航空发动机寿命。
在压气机结构设计中，常通过改变叶型来调整频率裕度，需要在性能分析与强度振动计算之间来回迭代，费时费力。
基于上述情况，本文提出了一种调整叶片频率的方法——叶尖片削，即在转子叶尖切去部分叶型，可以实现快速调频。
以某型压气机第1级叶片盘为例，分析了不同尺叶尖片削图1 CFM56压气机转子叶尖片削示意图叶尖片削图2 LEAP-1B压气机转子叶尖片削示意图系，循环对称面施加循环对称约束。
3.强度振动计算3.1振动计算对第1级叶片盘叶片进行了振动特性计算，结果如表3所示，本文计算主要考虑了叶片气动载荷、离心载荷和温度载荷。
第1～6次叶片频率随着叶尖片削深度变化规律如图4所示，结构1、2的共振频率裕度如表4和表5所示，可以看出：（1）随着叶尖片削深度的增加，叶片各阶次频率均不图3 压气机转子叶尖片削控制参数图4 叶片频率随参数b的变化规律结构1312.51298.9 1.5850.423结构2314.32299.8 1.5520.42结构3328.93296.4 1.5230.418结构4322.47294.9 1.4980.416结构5312.14293.3 1.4810.416图7 某型压气机流量压比特性图8 某型压气机流量效率特性5.结论本文以某型压气机为例，从振动、强度以及压气机性能等方面，分析了叶尖片削参数影响变化规律，可以看出：（1）转子叶尖片削对叶根最大当量应力、盘心最大当量应力以及叶尖变形影响较小；（2）转子叶尖片削对叶片振动特性有较大的影响。
某型航空发动机压气机四级转子叶片振动特性分析
第 ０ ６年 第 ４期 １卷 １ ２０ １月
失效分 析２０
Ｖｏ ．１。 ． １ Ｎｏ ４
某型 航 空发 动机 压 气 机 四级 转 子 叶 片振 动特 性 分 析
胡安辉’马康 民 ，
（． １ 空军驻 ４ ０厂军事代 表室 ， ３ 西安 ７０ ２ ； ２ 空 军工程 大学工程 学院， １０ １ ． 西安 ７ ０ ３ ； １０ ８
Ｉ ｈ ｓｐａ ｒ，ｍｅ ｓ ｅ ｏ ａ ｏｄ ａ ｌｒ ｒ ｔｄｉｄ． Ｉ ｓ ｐ ｉ ｔｄ ｏ ｔｔ ａ ｅ ｅ Ｗａ ｏ ｐ ａ ｔｃ ｌｍ ｅ ｉ ｆｕ ｉ ｎ ｔ ｉ ｐ ｅ ａ ｕｒ ｓｔ ｖ ｉ ｆｉｕ ｗｅ ｓｕ ｅ ｅ ｅ ｔｗａ ｏ ｎｅ ｕ ｈ ｔｔ ｒ ｓ ｎ ｒ ｃ ｉａ ａ ｎｇｏ ｓｎｇ ＬＤ７－ ａｕｍｉ ｍ ｈ ｎ １ｌ ｎｕ ｌ ｏｙ ｉ ａ ｅ ｏ Ｙ２ ａ ｍ ｎｕ ａ ｏ ｏ ｃ ｎ ｅ ｔ ｅ ｎａｕ ａ ｆ ｕ ｃ ｆｔ ｌ ｄ ｓ ａｌ ｎ ｐｌｃ ｆＬ ｕ ｉ ｍ ｌｙ ｔ ｈａ ｇ ｈ ｔ ｒ ｒ ｑ ｅｎ ｙ ｏ ｅ ｂ ａ ｅ ． ｌ ｌ ｌ ｅ ｈ
３ Ｘ ｔ ｎｔａ ｖ ｔ ｎＴｃｎｌ ｙ Ｘ ｍ ７０ ８ ， ｈｎ ） ． ｉ ｌｓ ｔ ｏ ｉ ｉ ｅｈｏ ｇ ， ｆ ｍ ｈ ｅ ｆＡ ａ ｏ ｏ １０ ９ Ｃ ｉ ａ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｃ ｍｐ ｅ ｓ ｒｂ ａ ｅ ａ ｉｕ ｙ ｒ ｓ ｏ ｒ ｓ ｏ ｌｄ ；ｆｔ ｅ；ｖｂ ａｉｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｓ ｇ ｉｒ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉ ｏ ｓｃ
１ 引言
压气机转子叶片是 在高 速旋转状 态下 工作 ， 了 除
部位 。首先 采 用断 口分 析技 术对 该 型发动 机压 气机 四级 转子 叶 片典 型 失 效 件 进 行 分 析 Ｊ 。从 分 析 结
新型超音速压气机内气固两相流场CFD模拟分析
维非定常流动 ； 而且它的高转速运转， 形成了有别于传
统 风机 流场 的超 音速 流动 。所 以离 心压 气机 内的气 固 两相 流动 现象非 常复杂 。
本文 以多相 流理论 为基础 ，针 对所 研发 的新 型超 音 速压气 机进行 气 固两 相流数 值模 拟 ，得到 可压 缩气 体在 压气机 内的流场分 布和温 度变 化 ，以及 颗粒 在气
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：
摘 要 ：为预 测和 预 防压 气机 叶轮 磨损 ，基 于多相 流理论 对超音 速 压 气机 内的三维 气 固两相
：
： 流 场进行数 值模 拟 。在分析 中将 压 气机 内的流 场按 可压缩 气体 处理 ， 同时考虑 温度对颗 粒运 动轨
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中 图分 类 号 ： Ｋ ７ ． Ｔ ４ ４８
文献 标 识 码 ： Ａ
航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现
航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现航空燃气涡轮发动机内的流场很复杂，不仅动静流场同时存在，同时还伴有多相流、传热、燃烧等现象，即使从物理上进行很大的简化，模型最后仍然是三维、有粘、非定常的可压流动。
航空发动机流场数值计算的发展经历了S2流面法、基于一元管道的流线曲率法、有限差分方法求解非正交曲线坐标系中的S1、S2流面基本方程、有限差分、有限体积和有限差分与流线曲率混合的方法对S1流面跨音速流场的计算，而现在由S1与S2流面相互迭代形成的准三元和全三元计算也发展起来了。
现在的采用有限体积法求解NS方程全三维流场计算已经广泛采用，航空发动机的流场数值计算已趋于成熟，可以充分考虑旋转流动、转静干涉问题、多相流、燃烧、亚超跨音速等复杂现象。
而且现在求解的规模也不断扩大，利用并行等成熟的CFD技术可以计算达几千万甚至上亿的计算网格。
因此结果也更为真实有效。
ANSYSCFX凭借TASCFLOW在叶轮机旋转流动的传统优势，结合更为先进的网格处理技术和高效的求解器，更适合航空发动机流动的复杂性，求解问题的规模和计算精度大大提高，一直处于航空发动机流动模拟的最前沿。
4.1.进气道及风扇气动分析CFX对进气道和风扇的模拟主要是研究进气道存在摩擦、激波和分离等产生的损失，风扇效率。
在亚音速时进气道的工况，在超音速时的工况，并精确计算附面层及分离损失。
并研究进气道在非设计工况下性能的恶化情况。
还可以模拟在非定常情况下进气道及其风扇的气动特性。
4.2.压气机流动分析航空发动机的压气机分为轴流压气机和离心压气机。
其分析原理相似。
这里以轴流压气机为例进行说明。
压气机的作用主要是利用涡轮发出的功对气体进行压缩形成高压的气流供给燃烧室。
压气机非常近似于绝热的，所以压气机对气体所做的功等于气体总焓的增加。
压气机的几个关键参数，首先是压气机效率和级效率，也就是给定增压比所需理想功与实际所需功之比。
然后还有单级的增压比和总增压比。
组合压气机性能和流场的数值模拟研究
组合压气机性能和流场的数值模拟研究吕亚国;黄健【摘要】针对航空发动机组合压气机的设计,采用定常数值模拟方法,对某轴流离心组合压气机的内部流场进行了分析,以探索其内部流动规律.最后将计算结果与试验结果做了比较,得出结论.【期刊名称】《风机技术》【年(卷),期】2011(000)003【总页数】5页(P11-14,22)【关键词】组合压气机；性能；流场；数值模拟【作者】吕亚国;黄健【作者单位】西北工业大学动力与能源学院;西北工业大学动力与能源学院【正文语种】中文【中图分类】TH450 引言现代先进航空发动机的发展使压气机的设计面临着新的挑战，特别是中小型航空发动机，往往对压气机的性能和结构尺寸有着更为严格的要求。
离心式压气机的单级压比高，但是单位迎风面积上的流量较低。
轴流式压气机与之相反，单位迎风面积上的流量较高，但是单级压比相对较低。
因此，为了扬长避短，前面级采用轴流式而后面级采用离心式的组合压气机在中小型航空发动机中被广泛地采用。
Monig[1]等人在选择某型发动机压气机设计方案时，统计了国外部分中小型发动机压气机设计方案。
在23种中小型发动机的压气机设计方案中，采用轴流加离心组合压气机的多达11种。
本文用数值模拟的方法研究某涡轴发动机采用的轴流加离心组合压气机，计算其总体性能，分析内部流场结构，以期初步探索组合压气机的内部流动规律。
2 计算网格某涡轴发动机采用的轴流离心组合压气机，共有7个叶排，见图1。
图1 压气机子午流道视图1.轴流压气机转子（AR）2.第一排静子叶排（S1）3.第二排静子叶排（S2）4.离心叶轮前的支撑叶排（Strut）5.带分离叶片的离心叶轮（Impeller）6.径向扩压器（RD）7.轴向扩压器（AD）计算网格采用Numeca软件的Autogrid模块生成单通道、多块结构化网格。
整个斜流级网格共分为46块，总数约为186万。
近壁面首层网格厚度为式中vref为进口参考速度，v为运动粘度，Lref为参考长度，y+为无量纲化网格高度。
航空发动机强度 第1章 叶片强度II(2h)
一般情况下，仅以根部截面作为罩量调整的对象。
航空发动机结构强度
31
压气机转子叶片与涡轮转子叶片所受气体力方向相反， 因此罩量调整时两种叶片重心连线的偏斜方向是相反的。 偏斜方向总是与叶片所受气体力的方向一致 。
回顾
（1）叶片强度计算的简化假设 将转子叶片假设为根部固装的悬臂梁，忽略叶冠、凸台 等结构，忽略叶片承受载荷后的变形； 仅考虑叶片承受的离心力和气体力； “三心”重合：各截面扭转中心、气体力压力中心、重心。
在上述假设下，叶片强度计算主要考虑离心力产生的拉 伸应力以及离心力和气体力产生的弯曲应力。
涡轮 叶片
叶片气动设计
叶片传热设计
叶片机械设计
（包括强度计算）
航空发动机结构强度
4
1.1.2 转子叶片的结构特点
回顾
叶身：由于气动性能的需要，叶身一般由不同叶型按一定扭 向沿叶高重叠而成。有的叶片有凸台、叶冠或冷却结构。 榫头：燕尾型、枞树型
1.1.3 转子叶片的工作条件和载荷特点
回顾
（1）离心力 （2）气体力 （3）温度载荷 （4）振动载荷 （5）冲击载荷
航空发动机结构强度
9
（2）叶片强度计算的坐标系假设 总体坐标系（左手坐标系）：X-YZ-O，X轴位于发动机轴线上，正方 向沿发动机排气方向，Z轴过叶根截 面中心O’与X轴交于O，Y轴根据左手 坐标系确定。 局部坐标系（左手坐标系）：x-yz-oi，oi为叶片第i截面的重心 上述两坐标系平行。
航空发动机强度
Structural Strength of Aircraft Gas Turbine Engines
航空发动机强度与振动--各章作业
三、计算题
1、某等截面、无扭向、根部固装的转子叶片长 l = 16cm ， E = 5.0 ×105 cm / s ， J = 0.8cm4 ， A = 5cm2 ， ρ
（ 1 ） 请 求 出 前 三 阶 弯 曲 振 动 的 固 有 频 率 （ 固 有 频 率 的 单 位 为 Hz ）。 计 算 公 式 已 经 给 出 ：
4、旋转着叶片的自振频率称为
；静止叶片的自振频率称为
。
5、叶片的振动阻尼有
，
，
三类。
6、列举出一些常用的提高叶片抗振阻尼的结构措施。
7、从气动和结构两个方面分析下带冠叶片的优缺点。
8、燕尾形、枞树形、销钉式三种榫头榫槽的连接方式中，哪种叶片和轮盘的连接方式抗振阻尼最好？
9、如图，试解释双榫根构造的叶片，抗振阻尼较好的原因？
8、判断弹性元件的串联或者并联。
6
第一章 转子叶片强度计算
9、在图(a)中，两弹簧是并联还是串联？在图(b)中，若将弹簧的长度变为原来的一半，则此一半长度的弹簧 的刚度系数是多少？
10、系统受外界激励作用而产生的振动称为（ ）振动。激励根据其来源可分为两类：一类是（ ），
另一类是（
）。
7
第一章 转子叶片强度计算
5、不管是实心盘还是空心盘，热应力σθ 在轮盘外缘处呈压应力状态。
航空发动机强度 第1章 叶片强度I(2h)
27
1.2 离心拉伸应力计算
航空发动机结构强度
28
1.2.1 一般公式
P
对i截面（Z=Zi）： Z向
航空发动机结构强度
29
叶片离心力计算：
航空发动机结构强度
30
叶片离心拉伸应力计算的一般公式：
航空发动机结构强度
31
等截面叶片的离心拉伸应力：
航空发动机结构强度
32
1.2.2 离心拉伸应力计算的数值积分方法
静强度 冲击强度 蠕变/持久强度 振动 疲劳 损伤容限
回顾
结构完整性 （Structural Integrity ）
航空发动机结构强度
3
回顾
发动机设计规范
发动机结构完整性大纲
航空发动机结构强
（ENSIP）
回顾
强度设计思想主要经历了如下几个重要发展阶段： （1）上世纪40年代～50年代：静强度和蠕变/持久强 度设计为主； （2）上世纪60年代～70年代：提出疲劳寿命设计思 想（主要针对低循环疲劳问题）； （3）上世纪70年代～80年代：提出损伤容限设计思 想（针对轮盘等关键部件） （4）上世纪90年代以来：开始发展概率/可靠性设计 方法，高循环疲劳问题得到突出重视
航空发动机结构强度
9
1.1 概 述
1.1.1 叶片设计的一般过程 1.1.2 转子叶片的结构特点 1.1.3 转子叶片的工作条件和载荷特点 1.1.4 转子叶片强度计算点的选取 1.1.5 转子叶片强度计算的基本假设和步骤
航空发动机结构强度
10
1.1.1 叶片设计的一般过程
11
风扇/压气机 叶片
变截面
将叶身分成若干段，分别计算每 一段的离心力，然后求和得到总 的离心力。
航空发动机压气机叶片的设计 ppt课件
扩压、加功；基元级整流器叶栅的作用，扩压导向。
ppt课件
11
叶片与轮盘的选材
• 压气机工作时，转子与更高的，转速旋转，一般均在，10000转/分以上，
转子上的工作叶片与轮盘均产生，很大的离心力。工作叶片产生的离心 力使叶片收到拉伸，并通过叶片的根部传给轮盘。轮盘除承受本身的离 心力外，还要承受工作叶片传来的离心力，因此轮盘的工作条件比，叶 片，苛刻得多，设计中要保证工作叶片和轮盘足够的强度。
看图提问题
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5
压气机需要解决的问题
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6
为什么采用多级压气机？
• 1.压比越高，燃机效率越高。 • 2.单级压比比较低，一般为1.3左右。
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为什么压气机各级叶片要设计成长短不一的？
• 1.因为压气机的气流通道是按工况来设计的，气流流到每个地方的截面
积，均正好与气流流量相适应。
航空发动机压气机叶片的 设计
16041079 张益恺
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精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
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防喘装置的设计
• 1.喘振原因：进气畸变，吞烟，进气道阻塞 • 2.防喘措施：
• 放气机构 • 可调进口导向器叶片 • 可调静子叶片 • 处理机匣 • 多转子
航空发动机强度 第1章 叶片强度III(2h)
回顾
航空发动机结构强度
14
回顾
航空发动机结构强度
15
1.4 总应力与安全系数
航空发动机结构强度
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安全系数
?
航空发动机结构强度
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风扇/压气机叶片：
航空发动机结构强度
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涡轮叶片：
指材料在温度t下，T时间内不发生持久应力断裂的最大应 力，或T时间内发生持久应力心拉伸应力均匀分布，而弯曲应力以距 离最小主惯性轴最远的A、B、C三点最大。因此总应力最 大的点是弯曲应力最大且为拉应力的点。
36
影响叶片强度的因素有很多，如振动、疲劳、应力集中、 环境条件等。
航空发动机结构强度
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作业：教材p20习题1－1和习题1－2。
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航空发动机结构强度
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气体力沿叶高均匀分布
航空发动机结构强度
6
数值积分方法
回顾
航空发动机结构强度
1.3.2 离心力弯矩的计算方法
回顾
航空发动机结构强度
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1.3.3 弯矩的合成与补偿
回顾
作用在半径Zi截面上的总弯矩（即 合成弯矩）为：
航空发动机结构强度
9
回顾
气
主要
体
由气
力
动参
弯
数决
矩
定
离
心
主要由截面
力
重心相对位
弯
置决定
矩
航空发动机结构强度
10
回顾
如果能够在对气动性能影响不大的情况下，适当地调整 叶片各截面重心的连线，即适当调整离心力弯矩，使它与 气体力弯矩方向相反，互相抵消，使合成弯矩适当减小， 甚至为零，对叶片强度是很有好处的。 ——弯矩的补偿
航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟Word版
航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟摘要压气机是为航空发动机提供需要压缩空气的关键部分，由转子和静子等组成，其中转子叶片是完成该功能的核心零件，在能量转换方面起着至关重要的作用。
叶片工作的环境比较恶劣，除了承受高转速下的气动力、离心力和高振动负荷外，还要承受热应力，所以在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，转子叶片强度的高低直接影响发动机的运行可靠性，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。
由进气道、转子、静子等组成的离心式压气机内部流动通道是非常复杂的，由于压气机是发动机的主要增压设备，其工作的好坏对发动机的性能有很大的影响。
随着现在的计算机和数字计算方法的大力发展，三维计算流体模拟软件越来越多的被运用到旋转机械的内部流场进行数值分析。
本文利用三维流体模拟软件ANSYS系列软件对压气机内部的气体流动性能进行模拟，得到一些特征截面的压力和速度分布情况。
关键字：转子叶片；强度计算；Fluent；轴流式压气机AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor blades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the blade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to improve the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the pressure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目录1 引言 (1)1.1 课题介绍 (1)1.2 研究方法 (1)1.2.1 直接计算法 (1)1.2.2 有限元分析法 (2)2 转子叶片 (2)2.1 叶身结构 (3)2.2 榫头结构 (5)2.3 叶片截面的几何特征 (7)3 叶片强度计算 (10)3.1 叶片受力分析 (10)3.2 离心拉应力计算 (10)3.3 离心弯应力计算 (12)3.4 气流弯应力计算 (15)3.5 叶片热载荷 (18)3.6 榫头强度计算 (19)4 压气机内气流场的模拟 (21)4.1 Fluent软件介绍 (21)4.2 双向流固耦合 (22)4.3 模型建立 (23)4.3.1 实体模型的建立 (23)4.3.2 ICEM CFD网格划分 (27)4.3.3 相关条件的设置 (28)4.4 运行结果和分析 (29)4.4.1 速度计算和分析 (29)4.4.2 压力场计算和分析 (31)5 结束语 (33)【参考文献】 (34)致谢 (35)附录1 相关英文文献: (36)附录2 英文文献中文译文: (50)1 引言1.1课题介绍压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，提供发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的启动提供压缩空气[1]。
某离心压气机转子叶尖流场测试及可视化分析
收稿日期：２０２３－０２－２５基金项目：国家科技重大专项（２０１７ Ｖ ００１６）引用格式：高倩，张一弛，姚峥嵘，等．某离心压气机转子叶尖流场测试及可视化分析［Ｊ］．测控技术，２０２４，４３（１）：８３－８８．ＧＡＯＱ，ＺＨＡＮＧＹＣ，ＹＡＯＺＲ，ｅｔａｌ．ＦｌｏｗＦｉｅｌｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＲｏｔｏｒＴｉｐｏｆａＣｅｎｔｒｉｆｕｇａｌＣｏｍｐｒｅｓ ｓｏｒ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２４，４３（１）：８３－８８．某离心压气机转子叶尖流场测试及可视化分析高 倩１，张一弛１，姚峥嵘１，马宏伟２，郭君德２（１．中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 ４１２００２；２．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 １００１９１）摘要：对壁面动态压力传感器阵列测试技术进行了研究，并将该技术应用于某离心压气机转子叶尖的动态流场测试中，获取了大量的动态流场测试数据。
采用锁相技术和线性插值方法对测试数据进行了处理和分析，并采用数据可视化技术将动态数据转化成压力分布云图，从云图中可以清楚看出离心压气机不同工作状态下转子叶尖的压力变化，有助于分析转子叶尖处泄漏流、前缘溢流以及泄漏流和分流叶片前缘的相互作用。
转子叶尖流场测试及可视化分析结果可以为压气机性能验证和数值模拟方法的修正提供重要的技术支撑。
关键词：压气机；转子叶尖；壁面动态压力；阵列测试；可视化分析中图分类号：Ｖ２３１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２０２４）０１－００８３－０６ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２３．０９．２５３ＦｌｏｗＦｉｅｌｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＲｏｔｏｒＴｉｐｏｆａＣｅｎｔｒｉｆｕｇａｌＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒＧＡＯＱｉａｎ１牞ＺＨＡＮＧＹｉｃｈｉ１牞ＹＡＯＺｈｅｎｇｒｏｎｇ１牞ＭＡＨｏｎｇｗｅｉ２牞ＧＵＯＪｕｎｄｅ２牗１．ＡＥＣＣＨｕｎａｎＡｖｉａｔｉｏｎＰｏｗｅｒＰｌａｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ牞Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００２牞Ｃｈｉｎａ牷２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ牞ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ牞Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｗａｌｌｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｙｎａｍ ｉｃｆｌｏｗｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｏｒｒｏｔｏｒｔｉｐｏｆａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ牞ａｎｄａｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｏｆｄｙｎａｍｉｃｆｌｏｗｆｉｅｌｄｔｅｓｔｄａｔａｉｓａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅｔｅｓｔｄａｔａｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙｐｈａｓｅｌｏｃｋｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｌｉｎｅａｒｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ牞ａｎｄｉｓｃｈａｎｇｅｄｔｏｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｌｏｕｄｍａｐｂｙｕｓｉｎｇｄａｔａｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ牞ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｒｏｔｏｒｔｉｐｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｖｅｍｏｄｅｃａｎｂｅｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄｃｌｅａｒｌｙ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｌｏｕｄｍａｐｃａｎｂｅｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｅａｋａｇｅｆｌｏｗａｎｄｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｏｖｅｒｆｌｏｗａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｌｅａｋａｇｅｆｌｏｗａｎｄｓｈｕｎｔｂｌａｄｅｌｅａｄ ｉｎｇｅｄｇｅ．Ｔｈｅａｂｏｖｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ牷ｒｏｔｏｒｔｉｐ牷ｗａｌｌｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ牷ａｒｒａｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ牷ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ离心压气机是航空涡轮轴发动机的关键部件，其特性直接影响着整个发动机的性能。
小型航空涡轮增压器叶片强度振动研究(精选文档)
小型航空涡轮增压器叶片强度振动研究（精选文档）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑欢迎下载）收稿日期:2021-06-08;修改日期:2021-06-12基金项目:北航创新基金“小型航空涡轮增压器转子系统研究”项目作者简介:林海英(1971-,男,吉林省吉林人,硕士,目前从事小型航空发动机研制工作。
E 2mail:haiying@buaa .edu文章编号:100621355(20210620044206小型航空涡轮增压器叶片强度振动研究林海英,陈萌(北京航空航天大学,北京100191摘要:在进行的某型航空活塞发动机废气涡轮增压器气动和结构改进设计的基础上,针对涡轮增压器叶片强度振动问题进行分析。
计算结果表明,在工作转速范围内,叶片不会出现强度和振动问题,满足工程使用要求。
关键词:振动与波;涡轮增压器;叶片;强度;振动Ana lysis of Stress and V ibra ti on of Bl ade for Aero TurbochargerL IN Ha i 2ying,CHEN M eng(Beihang University,Beijing 100191,ChinaAbstract:On the base of structure re modeling and aer odyna m ic design of m icr o turbocharger f oraer o p ist on engine,this paper described the stress and vibrati on analysis of blades f or turbocharger .The results shows that in the r otati on range of the r ot or,the blade of comp ress or and turbine will work safely .Key words:vibrati on and wave;turbocharger;blade;stress;vibrati on 使用航空活塞发动机作为动力装置的飞行器在高空飞行时,由于高度的升高,大气压力和空气密度逐渐下降,其结果是进入发动机的空气量减少,发动机的最大功率有所下降。
高压压气机转子叶片振动特性分析
高压压气机转子叶片振动特性分析魏武国;侯宽新;尚永锋【摘要】基于ANSYS软件对某型航空发动机高压压气机第一级转子叶片的振动特性进行了分析研究,建立了叶片的三维有限元模型,采用分块Lanczos法,计算得到了叶片在发动机常用工况转速下的各阶自振频率、相应振型及振动应力分布,找出了应力较大的薄弱区域.最后考虑了高压压气机进口导流叶片后形成的气流尾迹对此级转子叶片的激振影响,得到该级转子叶片的共振图,结果证明该转子叶片在常用工况转速下,不会因为进口导流叶片后的气流尾迹引发共振.为叶片的后续结构分析、实验及振动排故提供了必要的数值依据.%Based on the FEA software ANSYS, the vibration characteristics of an aero-engine's HPC rotor blades of the first level was analyzed. At first ,a three dimension finite element model of the blade was established in ANSYS.Then,the vibration frequencies, vibration model and vibration stress distribution of the blade under the aero-engine's common rotating speeds were calculated by Block Lanczos method,and the area whose stress was larger than the other on the blade was also found out.At last,the wake influence caused by airflow behind the IGV of the HPC was considered,and the campbell curve was figuredout.The results showed that the rotor blade will not cause resonance under the air exciting force caused by IGV trailing wake,providing the necessary numerical basis for the subsequent structural analysis,experiment and vibration troubleshooting of the blade.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2012(000)009【总页数】3页(P207-209)【关键词】压气机转子叶片;振动特性;气流尾迹;有限元【作者】魏武国;侯宽新;尚永锋【作者单位】中国民航飞行学院航空工程学院,广汉618307;中国民航飞行学院广汉分院,广汉618307;中国民航飞行学院航空工程学院,广汉618307【正文语种】中文【中图分类】TH16;V232.41 引言压气机转子叶片是航空发动机中重要的零件之一，工作时受到很高的离心负荷、气动负荷及振动交变负荷的综合作用，很容易出现裂纹等故障[1]。
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航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟摘要压气机是为航空发动机提供需要压缩空气的关键部分，由转子和静子等组成，其中转子叶片是完成该功能的核心零件，在能量转换方面起着至关重要的作用。
叶片工作的环境比较恶劣，除了承受高转速下的气动力、离心力和高振动负荷外，还要承受热应力，所以在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，转子叶片强度的高低直接影响发动机的运行可靠性，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。
由进气道、转子、静子等组成的离心式压气机内部流动通道是非常复杂的，由于压气机是发动机的主要增压设备，其工作的好坏对发动机的性能有很大的影响。
随着现在的计算机和数字计算方法的大力发展，三维计算流体模拟软件越来越多的被运用到旋转机械的内部流场进行数值分析。
本文利用三维流体模拟软件ANSYS系列软件对压气机内部的气体流动性能进行模拟，得到一些特征截面的压力和速度分布情况。
关键字：转子叶片；强度计算；Fluent；轴流式压气机AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor blades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the blade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to improve the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the pressure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目录1 引言 (1)1.1课题介绍 (1)1.2研究方法 (1)1.2.1 直接计算法 (1)1.2.2 有限元分析法 (2)2转子叶片 (2)2.1叶身结构 (3)2.2榫头结构 (5)2.3叶片截面的几何特征 (7)3叶片强度计算 (10)3.1叶片受力分析 (10)3.2离心拉应力计算 (10)3.3离心弯应力计算 (12)3.4气流弯应力计算 (15)3.5叶片热载荷 (18)3.6榫头强度计算 (19)4压气机内气流场的模拟 (21)4.1Fluent软件介绍 (21)4.2 双向流固耦合 (22)4.3模型建立 (23)4.3.1实体模型的建立 (23)4.3.2ICEM CFD网格划分 (27)4.3.3相关条件的设置 (28)4.4运行结果和分析 (29)4.4.1速度计算和分析 (29)4.4.2压力场计算和分析 (31)5结束语 (33)【参考文献】 (34)致谢 (35)附录1 相关英文文献: (36)附录2英文文献中文译文: (50)1 引言1.1课题介绍压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，提供发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的启动提供压缩空气[1]。
其中转子的主要组成部分转子叶片是完成该功能的核心零件。
转子叶片工作在比较恶劣的环境中：它的转速大，可以高达每分钟数千转或者数万转，因此承受很大的离心负荷；转子叶片处于发动机进口处，易被从空气中吸入的外来物（金属类、砂石类、软物体类）撞击形成损伤；空气中往往会携带沙尘，这些沙尘会对叶片表面进行磨蚀，对叶片造成损害，使叶片叶身减薄，弦长减短。
压气机的类型一般可以分为三类：轴流式、离心式和混合式，本文研究的是轴流式压气机。
叶片的制造和加工技术对压气机的工作效率及安全可靠性起着很重要的影响，压气机工作叶片是航空发动机的事故频发的罪魁祸首，叶片的故障可以占总故障的40%以上。
压气机叶片强度设计包括叶片静强度、振动特性、蠕变/应力断裂寿命等。
由于压气机高速旋转而产生的离心力很大，榫头的强度不够，复杂的几何形状造成的表面不连续性，再加上安装时产生的误差，可能造成叶片松动，在严重时叶片脱落，轻者损坏压气机，重者造成整机的破坏。
蠕变会引起塑性变形，一旦变形量超过叶片和机匣之间的径向间隙，就会使叶片和机匣相碰，导致叶片损坏。
气流力会直接作用在工作叶片上，由于气流力是脉动的，这种脉动的性质就会使叶片发生振动。
如果在发生共振现象时，叶片会发生疲劳断裂。
气流力在叶片截面中产生的弯应力也会造成叶片的失效。
在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。
本论文在了解并学习压气机及转子叶片的相关知识基础上，分别求解出叶身的离心拉应力、离心弯应力、气流弯应力的大小以及计算出榫头的强度大小，并分析出在高温环境中叶片所产生的热力应变情况；同时采用软件仿真的方法，对压气机内部的流场进行模拟，以分析出压气机内部流体的流动情况。
这对在设计中增大强度具有指导意义。
1.2研究方法通过查阅大量资料，进行相关文献资料的搜集工作，了解转子叶片技术的现状。
对于叶片和内部气流场的分析，分别采用直接计算和有限元分析的方法对叶身和榫头并进行强度计算，以及对压气机内部流场进行模拟，以分析内部气体流动情况。
1.2.1 直接计算法这是一近似的求解受力大小的方法。
具体就是把叶片简化为悬臂梁，在通过各种力学公式和定理进行计算，以得出受力大小及分布的结果。
叶片工作的时候，叶片承受着气流的反作用力、叶片高速旋转所引起的离心力以及由温度变化所引起的热应力。
1.2.2 有限元分析法今年来，随着计算机性能的不断提升，以及数字计算方法的不断改进，这都使得有限元分析软件在压气机叶片研究方面得到充分利用。
本课题采用ANSYS和FLUENT在Workbench 中进行流固耦合（fluid solid interaction,简称FSI）模拟分析。
流固耦合模拟分析方法是指在模拟计算时候同时考虑相互作用力的分析方法。
在实际的物理场中，流体的高压使得固体发生变形，而固体的变形进一步影响流场的流动状态，两者相互作用影响，共同决定了最终的物理状态。
FSI按照载荷的施加方式的不同，可以分为两种：第一种就是单向流固耦合（Uni-Directional FSI），这种方法就是只着重考虑其中一种物理场对另一物理场的作用，而忽略后者的反作用；另外一种就是双向流固耦合（Bi- Directional FSI），在将流体的载荷施加在固体上后，再将固体的变形参数迭代到下一步的流体计算中，整个过程不断的反复进行，直到达到最终的收敛目标。
为了更好的对内流场的流动情况进行模拟，根据压气机内部的施加情况，即空气的物理状态的分析是流体力学，而叶片的结构变形是弹塑性力学，因此同时考虑流体和固体的耦合求解方式可以获得更加准确，更加符合实际情况的计算结果。
因此采用的双向流固耦合分析方式进行内流场的模拟分析。
2转子叶片转子叶片又称动叶，是随同转子高速旋转的叶片，通过叶片的高速旋转实现气流与转子间的能量转换与气流方向改变的重要零件，它直接影响压气机的气动性能、工作可靠性、重量及成本等。
在轴流式压气机中，叶片以环状排列在气流通道内组成叶栅，每一圈的叶片就被称为一级工作叶片，每级叶片数目由几十片不等，随着压气机的级数的增加，一台航空发动机的压气机上有几百到上千片不等的叶片，例如WJ6发动机一共有10级，转子叶片共有458片，静子叶片共有620片。
转子叶片承受很大的离心力、较大的气动力和振动载荷，同时还要在一定的温度状态下工作，承受一定的热负荷。
因此转子叶片是直接影响发动机性能、可靠性和寿命的关键零件。
转子叶片的设计、材料选择和制造都有十分严格的要求，如叶身须保持准确的气动外形和很光滑的表面，材料内部不允许有缺陷，晶粒不得过大等。