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0 引言
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航空发动机(aero-engine)的寿命直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,国内发动机由于结构强度和疲劳寿命引起的故障率较高[1]。尤其民用发动机安全性和可靠性是首要考核指标,发动机配套附件的寿命可直接影响整机寿命,滑油冷却装置包括风扇和换热器,是某涡轴发动机的关键配套附件,其中换热器是纯机械产品,可靠性高,风扇寿命直接决定装置的寿命,风扇叶轮是影响风扇安全性、寿命的关键零部件。实际装机使用过程中,叶轮在离心载荷、气动载荷、耦合载荷、热影响、振动等作用下,会出现疲劳失效、屈服失效等现象[2]。叶轮低周循环疲劳是引起叶轮断裂、风扇失效的常见故障,疲劳失效是产品结构在循环载荷下,应力集中,逐渐产生的裂纹断裂,由于疲劳失效造成的结构件断裂或破坏占机械结构件故障的50%~90%[3]。很多高速旋转结构件承受的循环载荷会随时间而波动,在载荷作用下,结构损伤并累积,材料强度极限退化,结构会产生裂纹、扩展直至断裂的疲劳失效[4-5]。叶轮疲劳破坏严重影响风扇寿命、可靠性及工作效率,研究叶轮疲劳寿命对保证冷却装置甚至整机正常稳定运行具有关键意义。
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关于疲劳破坏国内外研究,根据应力和应变理论预测结构疲劳寿命是工程上常用方法,依据基础S-N曲线。国内外许多学者做了分析研究,Coffin和Manson[6-7]根据试验数据积累,推出疲劳寿命与塑性应变幅之间的经验关系式,即Manson-Coffin公式,逐渐形成局部应力、应变法;Paris[8]基于断裂力学原理,使用Paris公式描述疲劳裂纹的扩展规律特征,奠定损伤容限法的基础。吕方明[9]针对国内超临界工况下汽轮机转子进行低周疲劳特性的试验分析,拟合应变疲劳寿命的关系式。随着计算机科学和数值计算方法的发展,为节省周期和成本,逐渐在设计研发阶段利用有限元方法进行一系列航空发动机零部件应力计算的研究。段红燕等[10]对Morrow修正公式中疲劳强度系数和指数修正,为涡轮叶片的低周疲劳寿命建立预测模型,预测出叶片寿命的工作循环次数;毛义军[11]采用有限元方法计算了离心压缩机叶轮叶片的前14阶模态和离心力作用下的静应力,对叶轮叶片疲劳断裂故障进行分析。Zhou[12]利用等效应力模型预测了涡轮叶片的寿命;李盛鹏等[13]基于ANSYS仿真计算对叶轮结构简化分析;赵常峰[14]对其关键零部件叶轮和叶片进行了仿真分析,以优化叶轮结构和叶片。
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上述数值研究均是基于理论模型针对叶轮或叶片进行性能、结构仿真研究,或者基于等效应力模型去评估寿命,处理叶片疲劳断裂故障,但由于叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,不能囊括流场气动、不同转速下强度、疲劳及模态的综合数值分析进行寿命评估。
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文中针对某民用涡轴发动机配套附件风扇叶轮进行疲劳寿命研究,通过对风扇流场、叶轮屈服、疲劳强度、及叶轮模态进行数值分析,得出在高速旋转时风扇流场主要受载荷类型影响、叶轮受离心载荷、气动载荷及耦合载荷下结构是否会发生屈服、疲劳失效影响,根据仿真结果评估叶轮是否能够满足低周疲劳寿命,并进行了不同转速下叶轮动态特性分析,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命的影响奠定基础,并为其它风扇叶轮设计提供数据支撑。
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1 叶轮疲劳寿命仿真计算
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1.1 研究对象
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图1 风扇和叶轮结构
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以某涡轴发动机配套风扇为研究对象,风扇主要由叶轮和涡壳等零件组成,叶轮采用成熟的半开离心式结构,结构见图1。
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1.2 叶轮低周循环疲劳寿命要求
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叶轮低周循环疲劳寿命要求转速按等幅梯形循环加载(见图2),上限转速n2为工作转速(19 955r/min),下限转速n1为最低稳定转速,不超过转速n2的5%(977r/min)。上、下限转速均保持2s,单个循环大约30s~60s,共循环60 000次。
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图2 叶轮循环载荷谱
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1.3 仿真分析流程和工况
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在给定边界条件下,对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,整个仿真分析流程见图3,工况见表1。
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图3 仿真分析流程
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1.4 有限元前处理
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1.4.1 几何模型简化和有限元建模
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风扇流场有限元建模在HyperMesh中完成,有限元模型中包括了涡壳的内壁表面及叶轮的外表面,同时为了便于计算的收敛,将进气管口及出气口延长200mm。由于叶轮扇叶与涡壳内壁表面的间距很小,因此对于扇叶边缘的区域采用0.2mm的四面体网格,对于扇叶其它部位的网格采用0.5mm的四面体网格,流场中其它部位采用2mm的四面体网格。流体模型中单元总数为22 098 509,节点总数为9 604 002。
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叶轮结构有限元模型在workbench中完成,扇叶边缘部位采用0.2mm四面体网格,扇叶其它部位采用0.8mm四面体网格,结构有限元模型中单元总数为3 048 526,节点总数为806 352。
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风扇流场有限元模型和叶轮结构有限元模型如图4所示。
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图4 有限元模型
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1.4.2 边界条件
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a)风扇流场分析边界条件
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风扇流场计算的边界条件为:流量0.3kg/s,出口大气压。
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b)叶轮强度、模态分析边界条件
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叶轮工作转速:19 955r/min,工作空气温度:68.5℃,叶轮强度和模态分析仿真的边界条件一致,对叶轮轴孔面固定约束,如图5所示。
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图5 叶轮约束图
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1.4.3 材料属性
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叶轮材料为2A70-T6,由于空气进口温度68.5℃,仿真目前无法获得该温度下材料性能参数,查中国航空材料手册[15]以125℃时材料属性作为判断依据,材料属性见表2。
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2 仿真结果
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2.1 风扇流场气动力计算
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风扇流场分析中共对5种不同转速下进行了稳态流场分析,其中表1中工况2~5目的是探讨不同转速下的气动力载荷对叶轮结构动态特性的影响,不对叶轮的强度校核。工况6是提取19 955r/min下的气动载荷分布,进行强度校核,因此仅出示该转速下流场气动力计算结果。图6为CFX流场气动载荷分布云图,图7为流场气动载荷映射到叶轮结构后的结构气动载荷分布云图。
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图6 流场气动载荷分布云图
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图7 结构气动载荷分布云图
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从云图中可以看出,在19 955r/min转速时,扇叶在流场中的面压力分布是不均匀的。在靠近出风口的扇叶部位,扇叶正、反面产生了较大的压差梯度:扇叶的背面产生了较大的负压,同时扇叶的正面产生较大的正压,最大正压为2.608E+03Pa,最小负压为-5.102E+04Pa。气动载荷从流场映射到叶轮结构上的误差为3.84%,小于5%的误差控制,满足精度要求。
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2.2 叶轮强度计算
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叶轮共进行了7种不同工况下(见表1)的强度计算,其中工况2~4是为了探究扇叶结构中的预应力对叶轮动态特性的影响,因此不对叶轮进行强度校核。工况6~8对叶轮在最大转速下(19 955r/min)进行强度校核,因此该部分仅出示工况6~8的强度计算结果。
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图8 离心载荷下叶轮应力云图
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如图8~10所示,转速19 955r/min时,离心叶轮工作中受到的主要载荷为高速旋转时的离心力载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小。且转速19 955r/min时离心载荷、气动载荷及耦合载荷下叶轮结构的vonMises等效应力分别为21.22MPa、0.359MPa、21.25MPa,远小于结构材料2A70-T6屈服强度204MPa,因此叶轮在整个寿命期内不会发生屈服失效。
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图9 气动载荷作用下叶轮应力云图
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图10 离心载荷气动载荷耦合作用下叶轮应力云图
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2.3 叶轮疲劳强度分析
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通过对转速为19 955r/min的离心载荷、气动载荷、耦合载荷下叶轮强度分析可知:此转速下,叶轮结构的最大应力21.25MPa远小于材料2A70-T6(125℃)的疲劳极限102.6MPa,因此叶轮不会发生疲劳破坏,预估叶轮能满足60 000次低周循环疲劳寿命要求。
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2.4 叶轮模态分析
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叶轮转速为0时,叶轮模态前六阶振型分别如图11所示(黑色轮廓线为变形前状态)。
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图11 叶轮模态前六阶振型
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为探讨叶轮的转速对自身结构模态特性的影响,对叶轮在6种不同转速下进行了预应力模态分析(见表1),并绘制了叶轮的模态特性随转速变化的Campbell图,见图12。叶轮各转速下的前6阶固有频率fi如表3所示。
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当叶片固有频率与激振频率满足fi=NE的关系时便会发生共振。其中,E为激振频率;fi为叶片固有频率;N值常取转速的倍数以及叶片的数目。当N=1时,其共振现象最为严重。随着N值的增大,风扇叶片发生共振时的振幅要逐渐减小。
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表3可知,由于结构内部的应力刚化作用,随着转速的上升,叶轮前六阶固有频率都有所提高。同时图12显示转速的倍频线11E,12E,13E与扇叶的前六阶模态都有交点,19 955r/min转速下,第一阶模态频率与10E倍频激振频率间隔91Hz,其频率裕度为2.67%,10E倍频下存在第一阶模态共振的风险;第六阶模态频率与11E倍频激振频率间隔231Hz,其频率裕度为-6.74%,11E倍频激振频率下存在第六阶模态共振的风险,即存在高阶共振风险。
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图12 叶轮Campbell特性图
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由于目前阶段风扇安装的发动机系统没有提供风扇频率裕度范围,无法从动态特性分析角度给出风扇叶轮寿命,仅限于给出共振风险点,为后续叶轮综合动静态寿命分析奠定基础。
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3 结论
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1)建立风扇、叶轮循环疲劳有限元模型,分析风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态,分析叶轮在工作转速下是否会发生屈服失效、疲劳失效,为评估叶轮是否能够满足低周疲劳寿命要求提供数据支撑;
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2)根据仿真分析结果,可以定性为防止叶轮疲劳失效设计上采取一定防范措施,优化叶轮结构布局、适当选择材料、采取热处理或表面强化处理措施;
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3)后续结合叶轮低周循环疲劳寿命试验数据和现有的疲劳理论,对叶轮疲劳模型进行修正,为后续评估新型风扇叶轮的结构研发设计和疲劳寿命分析打下基础。
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参考文献
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摘要
叶轮疲劳寿命是影响风扇寿命的关键因素,鉴于风扇叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,在叶轮结构前期设计时,对某型叶轮低循环疲劳寿命进行数值分析,根据仿真分析结果初步预估叶轮寿命,给后期的叶轮疲劳寿命试验提供一定参考依据。仿真主要通过对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,得出风扇流场和结构气动载荷下分布云图、叶轮离心、气动、离心气动耦合载荷下应力云图及叶轮前六阶模态云图。结果表明:离心叶轮工作时受到主要载荷为高速旋转时离心载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小;在离心气动载荷耦合的情况下,叶轮在19955 r/min工作转速下的vonMises等效应力及最大应力为21.25 MPa,远小于叶轮结构材料2A70-T6屈服强度204 MPa和疲劳强度102.6 MPa,评估出叶轮结构在整个寿命期内不会发生屈服失效、疲劳失效,能够满足60000次低周循环疲劳寿命的要求。在静态分析基础上探讨了不同转速下叶轮的动态特性,并绘制叶轮模态特性随转速变化的Campbell图,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命影响奠定基础。
Abstract
The fatigue life of the impeller is a key factor affecting the life of the fan. In view of the long cycle and high cost of the low-cycle fatigue test of the fan impeller, the impeller life needs to be estimated during the early design of the impeller structure. The numerical simulation of the low-cycle fatigue life of a certain type impeller is mainly carried out. Including fan flow field, impeller strength, fatigue and impeller modal analysis, the fan flow field and structure distribution cloud map under aerodynamic load, centrifugal, aerodynamic and coupled load impeller stress cloud map and impeller first six order modal cloud map are obtained. The results show that the centrifugal impeller is subjected to a centrifugal force load during high-speed rotation. The impact of the aerodynamic load on the structure of the impeller is relatively small. The stress is 21.25 MPa in the case of centrifugal aerodynamic coupling load at a working speed of 19,955 r/min, which is far less than the yield strength of the impeller structure material 2A70-T6204 MPa and the fatigue strength of 102.6 MPa. The impeller structure will not have yield failure and fatigue failure during the entire life cycle. The impeller can meet the 60,000 low-cycle cycle fatigue life. The dynamic characteristics of the impeller at different speeds are discussed on the basis of static analysis results, and the Campbell diagram of the modal characteristics of the impeller with the speed is drawn to give the resonance risk point, which lays the foundation for the subsequent comprehensive consideration of the impact of the dynamic and static characteristics on the fatigue life of the impeller.
