高压压气机转子叶片振动特性分析

　　1 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]。为尽量避免在发动机使用过程中叶片振动故障的出现，有必要在完成叶片的初始设计后，利用有限元软件对叶片的振动特性进行分析。

　　基于 ANSYS 软件建立了某型航空发动机高压压气机第一级转子叶片的三维有限元模型，利用该软件计算了叶片在常用转速工况下的各阶自振频率、相应振型及振动应力分布。并对叶片进行了气流尾迹激振分析，得到该级转子叶片的共振图，结果证明该级转子叶片在发动机常用转速下，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[2]。

　　2 转子叶片三维有限元建模

　　转子叶片三维有限元模型的建立分两步进行：首先根据已确定的叶型参数，在有限元软件中建立叶片的三维实体模型，包括叶身、叶根平台、榫头等。然后建立此叶片的有限元模型。取叶片材料为某钛合金[3]，E=110GPa，ρ=4370kg/m3，μ=0.3。采用 3D 结构实体单元 SOLID45 对叶片进行自由网格划分[4]，共得 16508 个单元。考虑到该级叶片在常用转速工况下离心负荷很大，可认为叶片榫头在轮盘榫槽中是固支的，故在叶片榫头底面施加固定约束的边界条件，由此简化叶片振动分析的模型，如图 1 所示。

　　3 转子叶片振动特性分析

　　3.1 固有频率计算

　　在 ANSYS 中设定运算类型为模态分析，选用 Block Lanczos算法，计算此级叶片的前五阶固有频率及相应振型[5]。计算结果，如表 1 所示。

　　3.2 常用转速下叶片自振频率的计算

　　选取发动机的慢车状态转速等计算工况[6]，在叶片的三维有限元模型中依次施加各工况下的离心载荷，计算分析叶片在这些工况转速下的自振频率及相应振型，结果如表 1 所示。

　　转子叶片的固有频率（静频）与旋转状态下的自振频率（动频）是不同的。随着高压压气机转速由零开始增加，叶片的自振频频”相对于“静频”提高了 27.0%，2 阶提高了 5.1%，3 阶提高了3.5%，4 阶提高了 3.4%，5 阶提高了 2.7%，考虑到叶片的振型，可以看出离心负荷对弯曲振动频率影响明显，对扭转及其它复杂振动影响较小。

　　3.3 转子叶片的振型分析

　　转子叶片的前五阶固有振型，如表 1 所示。如图 2～图 6 所示。通过分析发现，离心负荷作用下叶片的各阶振型与各阶固有振型基本保持一致，只是在叶身上同一点处，不同转速下的同阶振动位移不同，转速越大振动位移越小，反之亦然，特别是当叶片作弯曲振动时，转速对振动位移的影响更加明显。