带锯齿冠涡轮叶片振动特性分析及结构优化设计研究

摘要

本文主要目的是研究带锯齿冠涡轮叶片的振动特性，分析影响带锯齿冠涡轮叶片振动特性的因素及影响规律，并探索锯齿冠的优化设计方法，对涡轮叶片锯齿冠面结构参数进行优化。为涡轮叶片锯齿冠的结构设计提供理论参考。 为研究锯齿冠涡轮叶片振动特性，首先采用带弹簧和质量块的悬臂梁简化模型来模拟锯齿冠涡轮叶片，通过分析发现随着叶冠质量的增加模型的前五阶固有频率会逐渐下降，随着弹簧支撑刚度的增加模型的固有频率会逐渐增加，而且各阶频率增加的幅度不相同。其次建立了单叶片、两叶片和三叶片的锯齿冠涡轮叶片的有限元分析模型，进行了模态分析、稳态激振分析和瞬态动力学分析，研究表明，随着转速的升高叶片的频率均会增加但每阶频率增加的幅度并不一样，锯齿冠叶片上的响应值随着锯齿冠工作面上接触刚度的改变而变化，最大响应对应的激振频率也会偏移,存在一个使位移响应最小的刚度值；分析了不同阻尼系数下锯齿冠的动能衰减特性。同时本文在分析计算模型的基础上，进行了单叶片和三叶片的试验模型的模态试验和稳态激振试验，从试验上验证了锯齿冠的调频和减振作用。 在锯齿冠结构优化设计部分，分析提取了锯齿冠的主要设计特征参数，建立锯齿冠涡轮叶片的参数化模型；分析了影响锯齿冠工作面上应力分布的两个主要的型面参数预扭角和工作面偏转角，并以这两个参数为变量建立了结构优化模型；利用VC、UG/OPEN API函数和ANSYS APDL语言将参数化建模和有限元分析功能封装在一起；利用多学科优化集成平台iSIGHT完成对锯齿冠的结构优化。经过优化后的锯齿冠叶片的应力分布与优化前相比有明显的改善。