1.3.1葉輪葉片有限元分析

　　葉輪大、小葉片均采用鋁合金材料，材料的線膨脹系數(shù)變化很小，取23.1，材料密度為2680kg/m3;泊松比隨著溫度變化而變化，取0.30（在溫度較高的時(shí)候，變化較遲緩）;彈性模量為69800N/mm2。有限元建模采用自由方式劃分單元網(wǎng)格（見圖2），并對葉片采用固定根部方法加以約束（見圖3）。模態(tài)分析時(shí)，模態(tài)提取采用分塊BlockLanczos方法，該方法計(jì)算精度很高，計(jì)算速度比Subspace法更快。本文分析提取了大小葉片對應(yīng)的前5階模態(tài)（見圖4和圖5）。單元類型為：20節(jié)點(diǎn)實(shí)體SOLID95，大葉片單元數(shù)目為3433個，小葉片單元數(shù)目為748個。考慮增壓器葉片旋轉(zhuǎn)離心力時(shí)，葉輪葉片的各階固有頻率見表1。由表中的數(shù)據(jù)可以分析得到，轉(zhuǎn)速的存在，增加了相應(yīng)的頻率。對于同一階頻率而言，轉(zhuǎn)速越高，相應(yīng)的頻率越高;在同一轉(zhuǎn)速，對低階頻率的影響較之高階頻率的影響更大。在轉(zhuǎn)速為80000r/min時(shí)，由于離心力的影響，小葉片固有頻率最大增加的百比為0.92%，大葉片固有頻率最大增加的百分比為2.46%;在轉(zhuǎn)速為120000r/min時(shí)，小葉片固有頻率最大增加的百分比為1.89%，大葉片固有頻率最大增加的百分比為5.26%。

　　1.3.2渦輪葉片的有限元分析

　　渦輪葉片材料采用合金鋼，其線膨脹系數(shù)隨溫度變化很小。材料密度為7730kg/m3;泊松比取為0.25;彈性模量為1.88E11N/mm2。在有限元單元劃分中，采用幾種不同精度進(jìn)行，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單元稠密度對葉片的固有頻率影響甚微。本文中采用了6級精度單元網(wǎng)格劃分（見圖6），得出渦輪葉片單元目為4343個。對葉片同樣采用固定根部約束（見圖7），模態(tài)提取采用分塊BlockLanczos方法。本次分析提取了渦輪葉片對應(yīng)的前10階模態(tài)（圖8中畫出了前5階振型）。元類型為SOLID95（20nodes）。在計(jì)算固有頻率時(shí)，考慮葉片旋轉(zhuǎn)離心力的影響，通過葉片的模態(tài)計(jì)算可得渦輪葉片前10階固有頻率，其計(jì)算結(jié)果見表2。

　　2、葉片的振動特性分析

　　根據(jù)實(shí)際工況，該增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為80000～90000r/min，葉輪的大葉片為7個，小葉片為7個?？紤]小葉片影響比較小，可以得出葉輪激振頻率為（80000/60）×7×n～（90000/60）×7×nHz（n為正整數(shù)），從而得到葉輪的激振頻率約為：9333n～10500nHz，即為9333，18667，28000，37333，46667，56000…。據(jù)前面有限元分析計(jì)算，可得大葉片的前5階固有頻率為9461，19015，28619，32321，40388Hz;小葉片前5階固有頻率16000，34086，47212，50491，59875Hz。通過對比分析可知，此葉輪模型的大小葉片都有可能存在共振現(xiàn)象。當(dāng)激振力的頻率為9333Hz和18867Hz等時(shí)，大葉片發(fā)生共振;而當(dāng)激振力的頻率為46667Hz等時(shí)，小葉片發(fā)生共振。渦輪的葉片為11個，可以得出渦輪激振頻率為（80000/60）×11×n～（90000/60）×11×n（n為正整數(shù)），從而得到渦輪的激振頻率約為14667n～16500nHz，即為14667，16500，29333，33000，44000，49500，58666，66000，73333，…。根據(jù)前面有限元分析得到的渦輪葉片的前10階固有頻率（見表2），把渦輪的激振頻率與渦輪葉片的前10階固有頻率對照分析后可知，此模型的渦輪葉片存在共振現(xiàn)象。當(dāng)激振力的頻率為16500Hz時(shí)，渦輪葉片發(fā)生共振。葉片共振很容易造成葉片的損壞，這說明增壓器在工作轉(zhuǎn)速下，葉片發(fā)生共振的可能性比較大，即其工作可靠性比較低。

　　3、小結(jié)

　　壓氣機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為80000～90000r/min，在考慮離心力的影響下，通過葉片的振動特性分析可以得到壓氣機(jī)葉輪激振頻率為9333n～10500nHz（n為正整數(shù)），它們和大葉片第1階以及第2階固有頻率、小葉片第3階固有頻率接近。故大葉片容易發(fā)生一階和二階彎曲共振，小葉片容易發(fā)生三階彎曲共振。而渦輪葉片的激振頻率為14667n～16500nHz，它們和渦輪葉片的的第2階固有頻率接近，故渦輪葉片容易發(fā)生二階彎曲共振。這不但造成壓氣機(jī)噪聲過大，而且葉片容易損壞。有效的解決辦法是：改變?nèi)~片的厚度，并盡量減少葉片的不均勻度，以及避免葉片的激振頻率落在其共振頻率范圍內(nèi)。