压气机叶片

压气机叶片（精选8篇）

压气机叶片 篇1

燃气机发电机组是一种新的动力机械, 其在使用过程中对能源消耗非常少, 同时, 也是一种新型环保能源动力机械, 因此, 在生产中获得了广泛的应用。发电机组在开始使用的时候主要利用的能源是燃油, 但是现在是以天然气为主, 对燃气轮机机组的装机容量进行了提升, 同时, 在启停速度以及效率方面都进行了提升, 在发电行业发展过程中获得了较好的发展。

电能是人们生活工作中使用的重要能源, 而且, 在经济社会不断发展过程中, 人们对电能的需求量也在不断的提升, 因此, 电力企业在发展过程中要对发电机组的容量进行提升, 同时, 对发电机组的运行状态也要进行很好的掌握。燃气轮机通常是由气压机、燃烧室以及透平等部分组成, 其在运行过程中, 空气经过压气机的入口进入到压气机中, 在经过压缩提高压力以后将其排入燃烧室, 这样在经过混合燃料燃烧以后要进入到透平中, 在这个过程中高温高压燃气能够在其中进行膨胀, 然后将燃气转变为运动的能量, 最后转化为机械功。压气机在运行过程中, 大部分的机械功可以用来推动压气机, 同时, 也能对燃气机的运行进行保证, 这样能够更好的将剩余的机械工进行输出, 推动发电机产生电力。

在燃气轮机压气机中, 叶片是非常重要的零件, 同时, 其对燃气轮机整体功能的发挥和使用安全性有很大的影响。因此, 燃气轮机对叶片的材料、形状、尺寸以及流体动力学都提出了很高的要求, 但是, 因为在使用过程中, 受到使用时间的限制, 其在长期运行过程中一定会产生破损的情况, 在情况比较严重的时候会出现裂纹。文章对叶片长期使用受到的损伤问题进行了分析, 希望在以后的生产过程中能够采取必要的措施对出现的问题进行避免。

1 9E型燃气轮机压气机故障

对电厂9E型燃气轮机压气机的实际运行过程进行分析, 对其轴承运行速度进行监测, 通过监测可知, 其运行速度出现了不断增加的情况, 在经过一段时间的观察以后, 这种增幅情况和设备设定的报警值之间还存在着一定的距离, 因此, 能够推动机组继续进行使用, 但是, 在这个过程中若没有采取必要的措施, 这样就使得在以后可能会出现更大的问题。9E型燃气轮机压气机在运行过程中出现报警信息, 在这种情况下会存在超温运行的问题, 同时, 设备通常能够进行自我保护, 进行自动跳闸, 这样会导致发电机出现短路或者是跳闸的问题。对9E型燃气轮机压气机出现的跳闸情况进行分析, 发现其与正常停机惰走时间一致, 这样能够得出惰走之后就是正常盘车。

为了对9E型燃气轮机压气机出现的故障进行分析, 相关的工作人员对设备的燃烧室进行了检验, 在启动燃烧室的过程中出现了排放管线失败的情况, 同时, 也出现了一些块状金属物在其中的问题, 在检查过程中, 发现是叶片的残片。在对叶片进行检查时, 发现其中出现了比较明显的擦痕, 同时也发现静叶片出现了受损比较严重的情况。对叶片进行检查, 发现叶片出现断裂的位置断口非常明显, 同时, 很多的现象可以用肉眼进行判断, 叶片在长期使用过程中出现了疲劳源较多的情况, 同时, 疲劳裂纹出现的面积比较大, 这样就使得叶片在使用过程中出现了受损非常严重的问题。

2 9E型燃气轮机压气机断叶片进行分析

2.1 燃气轮机压气机叶片损坏原因

燃气轮机压气机叶片损坏原因很多, 其中振动是主要因素。叶片振动损坏一般分为强迫振动损坏和颤动损坏。而不管是强迫振动损坏, 还是颤动损坏, 其都与振动力、频率阵型和振幅有关系。对于气压机来说, 其气流振动力是有周期性的, 但是其只有在激振力频率和叶片频率一致情况下, 叶片才会产生共振。在级内叶片中, 频率是分散的。当振激发生时, 则会产生与同一个级别内一个或者是几个叶片相一致的频率, 强迫振动损坏的产生就是由于这种激振频率过大而产生的。通常情况下, 在一级叶片中, 只有一个或者几个小的叶片会产生较大的强迫振动。但是不会出现相同位置和共同振动的情况, 因此, 一般情况下共振疲劳故障只会在少数的叶片上出现。振幅的能量通常是来自于叶片的激振, 而激振的幅度一般是固定的, 所以叶片的振幅一般会保持一个固定的数值, 不会发生变化, 并且形成恒定的振幅。强迫振动所产生的疲劳特征则主要是由于高度的疲劳而造成叶片受损, 以叶片端口的疲劳狭窄为主要的表现, 在气流振动力的作用下, 不需要脉动则能够形成颤振, 也就是说, 只有在气动条件下, 才能够产生颤振并且对叶片造成损坏。颤振是以振形固有频率基础上进行振动的, 其振动与否与转速倍频无太大联系, 只有在60%-80%速倍频下。才会发生叶片颤振。而颤振的振幅需要在积蓄达到一定程度的情况下, 才能够造成振幅的发散, 并且使振幅应力不断的扩大, 造成叶片疲劳受损。在有些特定的情况下, 同一级的叶片在收到振型、频率会同时发生颤振, 但是叶片的振幅却不是完全一致的。因此这种情况下也可能造成叶片的断裂。

2.2 对9E型燃气轮机压气机故障原因进行分析

从上面叙述中可以看出本次故障源为第17级动叶片, 其性质为振动疲劳断裂。检查中发现17级动叶片断裂断口特征、裂纹源部位相同, 且不同叶片疲劳裂纹扩展也相同, 其叶片断裂口一般应力疲劳断口, 这就说明受力状况基本相同, 其断裂性质也相同。因第17级动叶片中的多数叶片属于同时疲劳断裂, 其断口疲劳源点较多.穿晶裂纹、疲劳扩展区相对粗糙, 使得断裂脱落动叶片根部易产生疲劳裂纹。因此, 9E型燃气轮机压气机在振动疲劳断裂和颤振断裂中, 第17级叶片断裂原因为颤振的可能性较大。

3 结束语

电能的供应对经济社会发展和人们生活都有很大的影响, 因此, 人们在生活和工作中对电能生产的重视程度也在不断的提升, 这样不仅仅是为了更好的保证人们生活质量不会受到影响, 同时也是为了保证社会发展环境不会受到影响。电能生产过程中, 燃气轮机的应用非常重要, 而作为其中的重要部件———压气机对其运行效果起到直接的影响。压气机对燃气轮机的性能参数有很大的影响, 同时, 对其运行安全性也有很大的影响。在压气机中, 叶片是非常重要的组成部分, 其对燃气轮机的运行也有很大的影响, 因此, 为了能够保证电能的正常供应, 对发电机组的运行状态一定要进行保证。在电力企业中, 9E型燃气轮机压气机应用非常普遍, 人们对其使用安全和寿命问题进行了研究, 在长期使用过程中, 燃气机的气压叶片非常容易出现受损严重的情况, 对机组的正常运行会产生很大的影响, 这样也使得电力企业的生产经营受到了很大的影响, 为了能够更好的解决出现的问题, 文章对导致叶片断裂的原因进行了分析, 为更好的找到解决措施提供了依据。

摘要：在燃气机领域中, 9E型燃气轮机压气机是比较先进的一种设备, 其在生产过程中进行应用能够为企业带来一定的经济效益。9E型燃气轮机压气机在使用过程中会出现一些运行问题, 尤其是出现叶片断裂的问题, 这样不仅会导致设备的正常运行受到了很大的影响, 同时, 也会导致企业生产经营问题受到很大的影响。文章对9E型燃气及轮压气机的故障进行了分析同时, 对其出现的叶片断裂问题也进行分析, 希望在以后的生产经营过程中能够采取必要的措施对其进行相应的处理。

关键词：9E型,燃气轮机压气机,叶片,断裂

参考文献

[1]王旭, 潘宏伟, 周业忠, 等.某燃气轮机压气机叶尖间隙的分析[J].振动工程学报, 2004, 17 (1) .

[2]贾娜, 李嘉禄.不同温度下复舍材料弯曲性能的研究进展[J].天津工业大学学报, 2011 (4) .

压气机叶片 篇2

利用优化的八节点超参数单元法对某型发动机低压压气机转子叶片的振动特性进行了计算分析,并结合转子结构和发动机工作状态深入分析了可能发生的危险共振情况,发现第二级转子叶片抗振性能不好,为转子叶片的在线监测与故障预报提供了重要依据.

作 者：金业壮 杜少辉 闻邦椿 JIN Ye-zhuang DU Shao-hui WEN Bang-chun 作者单位：金业壮,JIN Ye-zhuang(东北大学,沈阳,110015;沈阳航空工业学院,航空宇航学院,沈阳,110034)

杜少辉,DU Shao-hui(沈阳发动机设计研究所,沈阳,110015)

闻邦椿,WEN Bang-chun(沈阳航空工业学院,航空宇航学院,沈阳,110034)

压气机叶片 篇3

关键词：离心压气机； 串列叶栅扩压器； 周向相对位置； 数值模拟

中图分类号： TH 311 文献标志码： A

离心压气机作为燃气轮机、喷气发动机、涡轮增压器等的重要组成部分，已被广泛应用于冶金、石油化工、动力、航空等领域.离心压气机叶轮出口气流的动能占总输入功的30%～40%，这部分动能如不加以利用会造成很大损失.因此，一般都在叶轮出口处连接扩压器以回收部分动能.

目前扩压器主要分为叶片式扩压器和无叶扩压器.虽然无叶扩压器稳定运行范围宽，但是其扩压能力不及叶片式扩压器，并且在设计工况附近的效率也低于叶片式扩压器.为了得到高效、高压比、稳定运行范围宽的离心压气机，学者们开始重视对串列叶栅扩压器的研究，近年来有越来越多的研究相继发表.

Pampreen[1]设计了一种由三排叶栅组成的串列叶栅扩压器，将其与通道型扩压器的性能进行比较后发现，串列叶栅扩压器不论是稳定运行范围还是效率都优于通道型扩压器.Japikse[2]引用并分析Pampreen未公开发表的实验数据时发现，当第二排叶栅吸力面前缘相对于第一排叶栅压力面尾缘周向相对位置（relative circumferential position）为节距的10%时，串列叶栅运行效率最高.Seleznev[3]对比单排叶片的叶栅扩压器和使用了串列叶栅的扩压器的性能时发现，串列叶栅扩压器的效率高于单排叶片的叶栅扩压器，且当周向相对位置为节距的10%时，其效率最高.Senoo等[4]对低稠度串列叶栅扩压器和单排串列叶栅扩压器的性能进行研究发现，低稠度串列叶栅扩压器性能优于单排串列叶栅扩压器.

国内李绍斌等[5]对串列叶栅后排静叶周向位置对压气机性能的影响进行了数值模拟，结果表明，串列叶栅静叶周向相对位置合理有利于抑制流动分离，降低损失.吴东坡等[6]对某高能头半开式离心压缩机的级在分别采用无叶扩压器和串列叶栅扩压器时进行了流动模拟和性能分析，结果表明，在高能头系数的级中采用串列叶栅扩压器可有效改善叶轮出口流场，减少流动损失，提高压力恢复系数和级效率.周莉等[7]对某一带串列叶栅扩压器的离心压气机进行了数值模拟，分析了串列叶栅扩压器后排叶片不同周向相对位置对压气机级流动及性能的影响.

可见，国内外已有不少关于串列叶栅扩压器的研究报道发表.这些研究重点分析了串列叶栅周向相对位置对扩压器性能的影响.然而，对串列叶栅周向相对位置变化影响扩压器性能的作用机理的研究较少涉及，对串列叶栅扩压器设计参数的系统化研究也较缺乏.为了能够对此有更深入的了解，本文首先设计与某离心压气机叶轮相匹配的串列叶栅扩压器，并通过改变串列叶栅前后排叶片周向相对位置，获得9种不同周向相对位置的串列叶栅扩压器.在相同的边界条件下对其流场进行分析，研究串列叶栅扩压器相对周向位置变化对压气机性能的影响及作用机理.

1 串列叶栅扩压器模型

采用的离心压气机叶轮模型由MTU航空发动机公司提供，原始岛型扩压器由Rothstein[8]设计完成.叶轮为具有15个叶片的开式后弯叶轮，设计转速为35 200 r·min-1.扩压器叶片数为23.原扩压器几何示意图如图1所示，其中：α4SS为扩压器叶片前缘处吸力面切线与周向切线的夹角；r2为叶轮出口半径；r4为扩压器叶片进口半径；PS为压力面；SS为吸力面；L为流道长度.α4SS和叶轮与扩压器间径向距离比r4/r2为扩压器的两个重要参数.

本文首先通过数值模拟获得离心压气机叶轮出口气流参数，如出口气流角、马赫数等；然后依据串列叶栅的设计方法，并参考NACA平面叶栅实验数据选择合适的叶型，确定前后排叶栅的几何参数，如叶片几何进/出口角、安装角稠度等.图2为串列叶栅扩压器几何示意图，图中：r1为第一排叶片进口安装角；r2为第二排叶片进口安装角，其定义为叶片弦线与通过叶片前缘的径向线之间的夹角；a为第二排叶片前缘与第一排叶片尾缘之间的距离；b为前排相邻叶片尾缘之间的距离.本文所设计的串列叶栅扩压器前后排叶栅均采用NACA 65-（4）06叶型，详细设计过程可参考文献[9].表1给出了r4/r2=1.14时设计得到的串列叶栅几何参数.本文定义前后两排叶片周向相对位置RCP=a/b.第一排叶片周向位置不变时，改变第二排叶片的周向位置，使得RCP分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，从而获得9种串列叶栅扩压器.图2给出了RCP分别为10%、50%、90%的三种串列扩压器的示意图，RCP增大，后排叶栅沿着逆时针方向移动.

2 数值计算方法及验证

本文的数值模拟基于商用CFD软件CFX完成，采用的控制方程分别为

连续性方程

ρt+（ρU→）=0

（1）

式中：ρ为密度；t为时间；U→为速度矢量.

动量方程

ρU→t+·（ρU→U→）=-p+·τ→+SM→

（2）

式中：SM→为动量源项；τ→为应力张量；p为压力.

τ→=μ[U→+（U→）T-23δ（

·U→）I=]

（3）

式中：μ为动力黏度；δ第二黏性系数；I=为单位张量.

能量方程

ρht-pt+·（ρU→h*）=

·（λT）+·（U→τ→）+U→·SM→+SE

（4）

式中：h为比总焓，h=h+12U2，h为比焓；SE为能量源项；T为温度；λ为导热系数.

控制方程采用基于有限元的有限体积法进行离散，采用SST湍流模型进行模拟，近壁面采用自动壁面处理函数.

图3为计算域及计算网格示意图.计算中没有考虑集流器的作用，仅包括叶轮以及扩压器，进、出口均有适当延长段.计算域包含两个叶轮流道和三个扩压器流道，使级间比尽量接近1，以提高模拟精度.计算域总网格数为40万，近壁区第一层网格的y+约等于1.数值模拟涉及进口、出口、固体壁面、动/静交界面以及周期性五类边界条件.叶轮、扩压器流道两侧采用节点一一对应的周期性边界条件；叶轮域与扩压器域的动静交接面采用混合平面法；固体壁面给定无滑移条件；进口则指定进口总温、总压；出口直接给出质量流量条件.计算时间步长为1/Ω，其中Ω为叶轮旋转角速度，此处Ω=179 328 rad·s-1.

当压气机运行接近喘振时，压气机内流动出现了明显的非定常流动特征，因此基于定常N-S方程很难获得收敛的数值解.本文在近喘点通过求解非定常N-S方程获得数值解.另外，从压气机性能曲线可知，压气机运行接近喘振工况时，随着质量流量减小，压比增长梯度增大，此时采用质量流量出口条件不易收敛，宜采用压力出口边界条件.其他边界条件和数值离散格式均与定常场求解相似，只是时间步长从1/Ω变为5.839 55×10-6 s，叶轮与扩压器的交接面改用瞬态转子静子法.

图4给出了叶轮转速为28 541 r·min-1、r4/r2=1.04、α4SS=16.5°时原离心压气机的总压比πτ及等熵效率η0，图中：实验值来源于文献[9]；P1、P2、M和S1分别表示近喘振点、稍远离喘振点、气动设计点和近堵塞点.图4表明，无论是总压比还是等熵效率，模拟值与实验值均吻合较好，其中最大相对误差出现在图4（a）中P2工况，相对误差为3%.由此可见，本文采用的数值模拟计算方法可靠.

3 计算结果及分析

图5给出了叶轮转速为35 200 r·min-1时，9种不同相对周向位置的串列叶栅扩压器所对应的离心压气机的总压比和等熵效率.可见，当RCP由10%变化到90%时，首先离心压气机整个级的性能逐渐上升，在RCP为30%时其性能达到最佳，随后又随着RCP增加逐渐下降，但当RCP为90%时其性能又有上升的趋势.另外，稳定运行范围随着RCP增加逐渐减小.

图6给出了在气动设计点M处，即质量流量为2.405 kg·s-1时，串列叶栅扩压器叶高50%处的压力分布随RCP的变化，图中横坐标为径向位置，其定义为扩压器某点半径、扩压器进口半径的差值和扩压器出口、进口半径的差值的比值.从图中可看出，随着RCP的增加，前排叶片载荷先增加然后迅速减小，除RCP为10%时外，叶片压力面靠近尾缘附近的压力均随着RCP的增加逐渐下降，且压力减小的范围逐渐从尾缘向前缘扩大，当RCP增加到90%时前排叶片压力面从弦长的10%到80%处的压力甚至小于吸力面.

图7为气动设计点M处，叶高50%处扩压器内压力分布.可见，随着RCP增加，后排叶片前缘的压力滞止区逐渐影响到前排叶片压力面的压力分布.这表明前排叶片压力分布与叶栅前缘滞止点位置有关.由图7可看出，当RCP为10%时，虽然后排叶片滞止点离前排叶片压力面最近，但由于其太过于靠近尾缘，对前排叶栅压力面的压力增加贡献并不大.随着RCP增加，后排叶片前

缘滞止点对前排叶片影响逐渐增大，具有明显的

增压作用.但RCP增加到一定值后，后排叶片

前缘滞止压力影响区域已接近前排叶片50%弦

图8（a）给出了串列叶栅扩压器沿径向位置的总压损失系数分布.总压损失系数ω定义为（pout-pin）/pd，其中pout、pin和pd分别为考察段的进口总压、出口总压和进口动压.可见，RCP为10%时前排的总压损失系数高于RCP分别为20%和30%的扩压器，故此时压气机性能未达到最佳.图8（b）为各考察段的静压恢复系数Cp的分布，Cp=（pstout-pstin）/pd，其中pstout、pstin分别为考察段的出口静压、进口静压.对比图8（a）、（b）可知，RCP分别为20%和30%时两排扩压器叶片的总压损失系数尽管相当，但后排叶片的静压恢复系数分别为0.30和0.35.正是因为RCP为30%时后排叶片的静压恢复系数高，使得RCP为30%时离心压气机的整体性能优于RCP为20%的离心压气机.图8（b）表明，当RCP为90%时，后排叶片的载荷大于RCP为80%的扩压器，这也是RCP为90%的离心压气机的整体性能优于RCP为80%的扩压器的原因.

由图9（a）可看出，随着RCP增加到60%，第二排叶片的总压损失系数与RCP为50%相比时增加了17.7%.这是由于第一排叶片与第二排叶片间所形成的渐缩通道随RCP增加后逐渐变宽，所起到的加速作用逐渐减小，从而导致第二排叶片吸力面出现分离（如图9（b）所示），增加了总压损失.

图10给出了气动设计点处的串列叶栅扩压器第一排叶栅进口气流角随RCP变化的分布情况，横坐标表示叶高方向z，z=0表示叶根.由图中可看出，无论RCP如何变化，进口气流角沿叶高方向由叶根到叶顶的分布规律几乎不变，只是RCP为90%时其进口气流角偏小.图11为RCP=90%、叶高分别为20%和50%截面处的速度分布云图，由图中可看出，在气动设计点处，RCP为90%时串列叶栅扩压器的前后排叶栅的压力面边界层发生大范围分离，造成扩压器内发生失速，从而导致扩压器的扩压能力下降，进而造成扩压器进口流速增加，所以此时进口气流角要小于其余不同RCP时的扩压器.另外，由图10可看出，靠近叶根侧的50%叶高范围内

的进口气流角较小，使得前排叶片压力面易出现边界

层分离（如图11所示）；其次，由前文分析可知，当后排叶片前缘滞止点的位置随着RCP增加向前排叶片吸力面靠近时，它对前排叶片压力面的压力增加所起的作用减弱并不断向前缘扩散，对于缓解前排叶片压力面边界层分离的作用下降，所以当RCP增加时扩压器的稳定工作范围不断减小.

4 结 论

本文对一配有串列叶栅扩压器的离心压气机的性能进行了研究，详细分析了串列叶栅扩压器的前、后排叶片间的周向相对位置对离心压气机性能的影响.主要结论为：

（1） 串列叶栅周向相对位置对扩压器的扩压能力以及稳定工作范围有很大的影响，并存在一个最佳周向相对位置.当RCP=30%时串列叶栅扩压器性能达到最佳.

（2） 后排叶片前缘滞止点相对于前排叶片的位置会影响前排叶片载荷大小以及分布，从而推迟前排叶片压力面边界层分离，扩大扩压器稳定运行范围.

（3） 前后排叶片间形成的渐缩通道可抑制第二排叶片吸力面的边界层分离.

参考文献：

[1] PAMPREEN R C. The use of cascade technology in centrifugal compressor vaned diffuser design[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1972，94（3）：187-192.

[2] JAPIKSE D.Centrifugal compressor design and performance[M].Vermont：Concepts ETI，Inc.，1996.

[3] SELEZNEV K P，GALERKIN I B.Centrifugal compressors[M].Mashinostroenie：Leningred Division，1982.

[4] SENOO Y，HAYAMI H，UEKI H.Lowsolidity tandemcascade diffusers for wide flow range centrifugal blowers[C]∥ASME 1983 International Gas Turbine Conference and Exhibit，Phoenix，1983.

[5] 李绍斌，王松涛，冯国泰，等.串列叶栅后排静叶周向位置对压气机性能影响的数值研究[J].工程热物理学报，2004，25（6）：943-945.

[6] 吴东坡，刘长胜.离心压缩机级半开式叶轮采用无叶和串列扩压器的性能分析[J].风机技术，2009（3）：8-10.

[7] 周莉，韦威，蔡元虎.离心压气机级串列叶栅扩压器内流场的数值研究[J].航空动力学报，2012，27（11）：2562-2568.

[8] ROTHSTEIN M.Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Radialverdichters mit beschaufeltem Diffusor Untersuchung eines Radialverdichters mit beschaufeltem Diffusor variabler Geometrie[D].Aachen：RWTH Aachen，1993.

压气机叶片 篇4

某航空发动机压气机整流叶片的材料为1Cr13Ni, 叶片型面复杂, 扭曲大且无序, 各截面面积大小相差大 (如图1所示) , 因此毛坯锻造模具设计难度大, 叶片变形难以控制, 易出现模锻成形困难以及后续切边开裂等问题。为保证产品毛坯质量, 结合该叶片结构特点进行了工艺分析, 针对加工难点提出了相应的解决方案, 并开展了试制验证。

1 工艺分析

一般的叶片是通过叶身型面和榫头内侧面来确定基准, 以便于叶片的锻造成形、测量以及加工, 而该叶片只有叶身, 缺少榫头进行纵向定位, 因此在锻造过程中叶片纵向尺寸误差较大, 且测量不便, 后续加工困难。该叶片叶身型面复杂, 横截面面积分布不均匀, 其中最大截面的面积与最小截面的面积相差近1倍, 且叶身型面无序扭转, 在锻造过程中易因金属流动过快而导致折叠问题。叶片叶身纵向存在曲线波动, 且波动幅度较大, 在锻造过程中圆形坯料易因振动而产生滚动, 从而导致局部未充满的问题发生。该叶片的另一特点就是叶身边缘处较薄, 锻造过程冷却速度较快, 在切毛边时易出现切裂。

2 工艺方案

由于该叶片叶型无序扭转, 可采用多段折线分模, 将进气边缘和排气边缘按分布趋势调整成3~4段折线连接, 两端榫头部分采用3折线分模, 以解决分模难的问题。为避免定位难题, 在叶片两头沿理论基准Z轴上分别设计一个横截面积一致、长短不一的小方榫头, 通过这两个不同的榫头, 可以实现叶片快速定位, 同时便于后续叶型尺寸检测。为解决叶身厚度不均匀易产生折叠的问题可采用预补偿的方法, 在叶型厚度较薄处相应增加0.5 mm厚的余量, 并将叶身两端按趋势延伸6 mm, 减少整个叶身的厚度差异。在锻造时可先将坯料镦扁, 能够防

止圆形坯料在模具型腔中出现滚动, 以保证锻造成型过程坯料分料均匀, 避免局部未充满。根据上述方案分析结果确定的锻件外观如图2所示。

锻模毛边槽一般由桥部和仓部组成。为了在毛边槽内产生足够大的径向阻力, 并容下所有的多余金属, 以及便于切除毛边, 毛边槽的桥部高度应小些, 宽度大些, 同时桥部高度减小或宽度增大, 终锻成形时型槽内的三向压应力状态更为强烈, 更有助于锻件充满成形[1]。因此, 可将模具桥部宽度适当延长, 以利于锻件的切边和充型, 最终制作的锻造模具如图3所示。

3 试制验证

试制坯料为规格φ20 mm的棒材1Cr13Ni。

依据上述分析结论, 编制了该叶片毛坯锻造工艺路线:下料→打磨→加热→模锻→切边→加热→校正→抛丸→检验→淬火+回火→抛丸→检验, 其中加热工序工艺参数如表1所示。

模锻工序采用1 000 T压力机锻造, 坯料加温后转移时间要求控制在10 s以内, 锻造前先将坯料在模具平台处稍微压扁 (厚度约15 mm) , 然后放入型腔, 以刚好放置在两榫头之间为宜, 再打击一锤成形, 终锻温度不低于900℃。锻造完毕后, 趁余热切边。淬火采用RJX电炉, 850℃以下入炉, 随炉升温到950℃±10℃, 保温70~100 min, 散开空冷;回火温度570℃±20℃, 保温2.5~3 h, 空冷。

按上述工艺路线和工艺参数锻造3个锻件, 锻件实物如图4, 对所有锻件进行外观尺寸质量、低倍组织、高倍组织以及力学性能进行检测。经检测, 所有锻件尺寸符合锻件图样规定, 表面无折叠、开裂等缺陷, 低倍组织流线正常、无冶金缺陷、组织均匀, 高倍金相组织晶粒度均匀、晶粒度6~7级 (如图5所示) 、自由铁素体质量分数<1%, 力学性能见表2, 均符合该叶片冶金技术文件要求。

4 结语

通过采取多段折线分模、设置小方榫头、预补偿叶型厚度、延长模具桥部宽度等措施, 有效解决了该叶片锻造成形困难、切边开裂等问题, 为扭转复杂型面叶片毛坯的锻造积累了经验。经试制验证, 本文所确定的工艺路线及参数可加工出合格的锻件, 能用于指导该叶片锻件的批量锻造。

参考文献

压气机叶片 篇5

本文采用拟压缩性方法对不同积叠线弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟.结果表明,弯曲叶片性能不仅与叶片两端部的弯曲角度有关,也与积叠线的`形状和长度有关.

作 者：王会社 袁新 岳国强 钟兢军 王仲奇 作者单位：王会社,袁新(清华大学,热能工程系,北京,100084)

岳国强,钟兢军,王仲奇(哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001)

压气机叶片 篇6

选取某民用航空发动机高压压气机第三级转子叶片为分析对象, 在模态分析基本理论的基础上, 于有限元软件ANSYS Workbench中建立起叶片的有限元模型, 计算分析了该叶片在静止情况下、常用转速工况下固有频率和振型, 得到叶片共振图, 为后续结构分析及振动排故提供依据。

1 模态分析的基本理论

现以分析叶片的固有模态为主, 忽略阻尼的作用, 故属于无阻尼自由振动系统的分析研究, 其动力学问题的有限元法基本方程为[1]

式 (1) 中, M为系统质量矩阵;K为系统刚度矩阵u为位移向量。

设系统各部位的振动为频率、相位均相同的简谐振动, 即

将式 (2) 带入式 (1) 中可得

由于式 (3) 在任何时间均成立, 故去掉含时间项:

式 (4) 中, φi为i阶特征向量, 模态形状因子;ωi为第i阶固有频率。

式 (4) 中, φi有非零解的条件是

求出ωi, 进而可以得出振动特征向量φi。

当高压压气机高速旋转时, 叶片受离心力的影响, 会产生微分刚度阵S, 此时系统的刚度阵变为

所以系统的动频计算式为

2 叶片的有限元模态分析

2.1 三维有限元建模

现选择在ANSYS Workbench 13.0中进行仿真分析, 其仿真流程具有良好的可定制性, 只需通过鼠标拖曳操作, 即可非常容易地创建复杂的、包含多个物理场的耦合分析流程, 在各物理场之间所需的数据传输也能自动定义好[2], 符合叶片在离心力场中振动模态分析的需要。

软件中叶片有限元建模分两步进行:首先根据几何参数建立实体模型。其中, 叶片叶身长50 mm;叶根平台长30 mm, 宽23 mm, 厚2.5mm;榫头深7 mm, 榫头底面长16 mm, 宽7.3 mm;榫头底面距离旋转中心220 mm。然后建立三维有限元模型。取叶片材料为Ti-8Al-1Mo-1V[3], 材料常数[4]见表1所示;划分单元时, 叶身和榫头采用3D六面体单元、叶根平台采用3D四面体单元划分, 单元尺寸均取为1 mm;另外, 考虑到叶片在常用工作转速下离心力大, 造成叶片榫头与轮盘榫槽相接触的面上存在很大压力, 故在叶片榫头与榫槽的接触面上施加固定约束的边界条件, 以简化分析模型。由此建立起的叶片有限元模型如图1所示。

2.2 固有频率计算结果

首先, 计算叶片静止时的固有频率;然后, 计算发动机在滑行、进场、慢车、爬升、起飞五个工作状态[5], 高压压气机旋转时, 离心力场中叶片的固有频率。一般情况, 频率越高, 振幅越小, 危险性也就越小[6]。因此本文只计算了前5阶固有频率, 结果如表2所示。

表2中的Δ定义为

式 (8) 中, fd表示起飞状态下叶片的各阶“动频”;f0表示叶片的各阶“静频”。

由表2发现, 随着高压压气机转速增加, 叶片的固有频率逐渐增加。这是由于叶片旋转时的离心力使式 (6) 中的Ks大于K, 相当于增加了叶片的刚性, 最终造成“动频”大于“静频”。另外, 在起飞状态下, 叶片的一阶“动频”相对一阶“静频”增加15.2%, 叶片的三阶“动频”相对三阶“静频”增加3.55%;其他各阶“动频”相对“静频”增加均不到1%, 主要是因为离心力对叶片扭转和复杂振型的固有频率影响较小。

2.3 固有振型计算结果

表2所示该叶片的振型中包含了弯曲, 扭转, 以及弯扭复合振动。图2~图6列出了该叶片的各阶固有振型;通过分析发现, 离心力对于叶片振型没有太大影响。

3 叶片的共振特性分析

由于气流对叶片表面周期性的压强变化, 激起叶片振动, 称为气动激振[6,7]。其中最重要的是障碍物尾流激振。发动机中该级转子叶片前后各有84、72片整流环静子叶片, 所以发动机在工作时, 可能会存在由第二、第三级整流环静子叶片形成的尾流激振力, 其倍频可用式 (9) 计算[6,7]:

式 (9) 中, n为压气机转速;Z为该转子叶片前后的静叶数目, 即Z=84, 72。取S=1, 2, 结合表2中的计算结果, 画出叶片共振图 (Campbell图) , 如图7所示。可以看出, 在慢车、爬升、起飞工作状态下, 第二、三级静叶尾流不会引起叶片共振;另外在滑行、进场工作状态下, 转速低, 叶片离心力小, 模型的边界条件将发生变化, 叶片榫头与轮盘榫槽之间存在明显阻尼, 可以抑制叶片的振动。

4 总结

对某民用航空发动机高压压气机第三级转子叶片的固有模态及共振特性作了数值分析, 文中涉及的基本理论和有限元分析方法均是成熟、可信的。得到了此级转子叶片在常用转速工况下的固有频率和振型, 并画出了该叶片的共振图。利用共振图可以找出共振时叶片的频率、振型和激振力频率, 为后续结构分析和排故提供依据。

摘要：选取某民用航空发动机高压压气机第三级转子叶片为分析对象, 在介绍模态分析基本理论的基础上, 于有限元软件ANSYS Workbench中建立起叶片的三维有限元模型, 并对叶片的固有模态及共振特性进行了数值分析, 得到该叶片在静止情况下、常用转速工况下的固有频率和振型。最后分析了该级叶片前后的整流环静叶在气流通道中形成的尾流激振力, 对该级转子叶片的影响, 画出叶片共振图。利用共振图可以找出共振时, 叶片的频率、振型和激振力频率, 为后续结构分析和排故提供依据。

关键词：高压压气机,转子叶片,模态分析,共振图,有限元分析

参考文献

[1] 傅志方, 华宏星.模态分析理论及应用.上海:上海交通大学出版社, 2001:22—68

[2] 凌桂龙, 丁金滨, 温正.ANSYS Workbench 13.0从入门到精通.北京:清华大学出版社, 2012:2—3

[3] 陈光, 洪杰, 马艳红.航空燃气涡轮发动机结构.北京:北京航空航天大学出版社, 2010:94—96

[4] 《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册 (2版) 第四卷钛合金、铜合金.北京:中国标准出版社, 2001:53—58

[5] Boeing Company.737NG Aircraft Maintenance Manual.2010

[6] 吕文林.航空发动机强度计算.北京:国防工业出版社, 1988:58 —99

压气机叶片 篇7

高压比离心压气机叶轮出口气流的动能较大, 需要连接扩压器将叶轮出口高速空气的动能转变为压力能, 扩压器的效率对压气机效率有很重要的影响。如果扩压器设计不合理, 就会产生流动分离、失速等问题。因此, 对扩压器进行深入研究意义较大。

按扩压器中有无叶片, 扩压器可分为无叶扩压器和叶片扩压器。无叶扩压器是由两块平行板构成一环形通道, 结构简单、制造方便、造价低、性能曲线平坦、流量范围宽。在经常处于变工况运行的压气机上得到广泛应用。但在无叶扩压器中, 气流的流动损失大、效率低、扩压能力低;若在同样的扩压能力下, 扩压器出口直径较大。近年来对无叶扩压器内气动研究成果很多, 研究的重点侧重于单级离心压气机内无叶扩压器[1]。有时, 将扩压器进口段设计成无叶扩压器随后连接叶片扩压器。叶片扩压器是在隔板形成的环形空间内加装若干导向叶片, 使气流沿叶片通道流动。叶片扩压器可以迅速减小切向分速度以增加扩压效率, 减小损失, 有效地控制扩压器出口流动角从而有利于蜗壳的气流流动。但是, 叶片扩压器可能会导致扩压器叶片喉部的阻塞, 在变工况时容易引起喘振。所以, 叶片扩压器不仅加工复杂, 其内部的流动情况也远比无叶扩压器内的复杂。有叶扩压器虽然在设计流量下效率高于无叶型, 但当流量发生变化时, 效率变化剧烈, 即:有叶扩压器高效率的运行范围是有限的。目前, 一些学者从事叶片型式研究, 如:半高导叶[2]、错排叶栅扩压器[3]等形式, 并研究了不同扩压形式对压气机性能的影响[4]。叶片扩压器的设计方法已经开始兼顾力学特性与气动性能复杂叶片造型技术。本文根据工程实际, 完成了对某高压比离心压气机扩压器叶片的设计及其造型。

二、叶片造型理论与结构参数

扩压器设计时, 其通道有轴向等宽和渐缩通道两种, 可引导气流按叶片规定方向流动。扩压器的设计一般包括气动设计、叶片造型设计和CFD数值检验三个步骤。在中弧线设计中, 多采用叶片的解析中弧线的方法, 具有结构简单、加工方便。解析中弧线又包括单圆弧叶型和双圆弧叶型等。本文采用了单圆弧叶型型线设计。

三、扩压器叶型设计及造型

扩压器叶型设计是在其气动设计之后的另一项重要工作, 主要依据平面叶栅试验数据选取, 还需考虑几何参数和气动参数。常见的叶片型式有:直线型、三角型、圆弧型和机翼型等种类。

与本扩压器所匹配的叶轮具有高压比、高转速的特点, 比较分析后选用NACA65-010叶型。NACA65-010中弧线为直线, 而本文扩压器中弧线是一段圆弧, 需要先求解三角方程进行坐标变换, 然后再利用保角变换和坐标变换求解叶片背弧型线和内弧型线的数据。

在PRO/E中完成扩压器造型, 图1是造型命令, 图2是完成的扩压器实体模型。

参考文献

[1]张松涛.可调叶片扩压器仿真优化研究[D], 2012.

[2]朱营康, 等.半高导叶扩压器的研究[J].流体工程, 1992.

[3]谢蓉, 等.离心压气机错排叶栅扩压器性能研究[J].燃气轮机技术, 2010.

压气机叶片 篇8

关键词：燃气轮机,在线清洗,远程控制,压气机叶片清洗

燃气轮机在正常运行期间, 由于进入压气机的空气不可能完全被入口的进气过滤器过滤干净, 空气中的灰尘、油雾等会在压气机动叶和静叶上形成污垢。这些污垢会降低压气机的效率, 从而降低机组的效率。因此, 需要配置压气机叶片清洗装置及系统对脏污后的压气机叶片进行清洗以便恢复压气机的性能, 增加燃机出力。压气机叶片清洗系统有两种模式的清洗:机组停机时离线清洗和机组运行时在线清洗。

自国内首台燃气-蒸汽联合循环项目以来, 压气机叶片清洗装置采用的是就地、手动控制, 包括离线清洗和在线清洗。随着用户需求的提高, 要求在线清洗功能实现远程控制。因此, 对叶片清洗装置及其控制逻辑进行了改型设计, 并使用到在建项目和后续项目中。

1 叶片清洗系统介绍

1.1 压气机叶片清洗目的

由于进入压气机的空气不可能完全被进气入口的过滤器过滤干净, 空气中的灰尘、油雾等在压气机动叶和静叶上形成污垢。这些污垢会降低压气机的效率, 因此也会降低机组的效率和输出功率。所以, 需要配置叶片清洗装置对压气机叶片进行清洗去除叶片上的污垢, 恢复压气机的性能, 保证燃机的出力。

1.2 压气机叶片清洗系统的运行

压气机叶片清洗系统将水喷入IGV前的进气口, 压气机的运行产生的负压将水吸入压气机。压气机叶片清洗分为在线清洗和离线清洗两种模式。在线清洗是指在燃机带一定负荷的情况下, 对压气机进行喷水清洗。离线清洗是指燃机停机后, 在燃机高盘模式下, 燃机高盘转速下对压气机进行喷水清洗[1]。

压气机叶片清洗系统的操作是在现场通过叶片清洗装置上的PB按钮手动控制的。清洗水要求采用除盐水, 供水压力一般在0.3~0.5 MPa, 主要是满足在雾化喷头处形成雾状而且形状良好的喷水, 保证叶片的清洗效果。同时, 在叶片清洗时, 也可根据脏污情况在除盐水中添加一定比例的清洗剂进行清洗, 已达到更佳的清洗效果[2]。

1.3 压气机叶片清洗系统

在燃机进气室设置有两套管网和雾化喷水喷头分别用于离线清洗和在线清洗。压气机叶片清洗系统包括:叶片清洗水泵、水箱、过滤器、供水管道及阀门、控制柜及仪表、供水雾化喷头、在线和离线供水阀等。

1.4 压气机叶片清洗疏水系统

由于压气机叶片清洗有在线清洗和离线清洗两种模式。在线清洗时是在燃机带一定负荷情况下对压气机叶片进行喷水清洗。此时, 燃机压气机温度较高, 进入燃机中的水会随着空气进入透平排出。然而, 离线清洗是在燃机停机后, 在燃机高盘模式下对压气机叶片进行喷水清洗。此时, 压气机温度较低, 喷入压气机的清洗水就不会完全蒸发随着空气进入透平排出, 这就需要对燃机各个缸体、燃烧器、放气管道等进行疏水。在叶片离线清洗时, 需要打开各个疏水阀门疏水, 清洗完成后恢复。

1.5 压气机叶片清洗的控制

叶片清洗程序是由燃机控制系统 (GTC) 控制的, 包括在线清洗模式和离线清洗模式。燃气轮机对压气机叶片清洗是有限制条件的, 诸如对于机组负荷限制值和进气室温度的限制。对于在线清洗, 燃机负荷维持在一定负荷下, 燃机进气温度不低于5~10℃。对于离线清洗, 燃机维持在高盘转速, 燃机轮盘腔室温度在合适的范围内, 燃机进气温度不低于5~10℃。

2 用户对压气机叶片系统提出新的要求

用户要求所提供的压气机叶片清洗装置 (在线和离线) 对叶片清洗应是有效的, 对压气机效率的恢复是有效的。同时, 对于离线清洗, 所提供的清洁程序只应通过手动起动操作。对于在线清洗, 所提供的清洁程序可以通过远动和手动起动操作。

由于该型燃气轮机常规配置均为就地手动操作设备, 没有配置相应的满足在线清洗远程控制的设备和程序。因此, 为了满足在线清洗远程控制的目的, 必须对部分设备进行自动化改型设计, 对其相应的控制逻辑进行研究并实施修改。

3 压气机叶片清洗装置的改型设计

根据用户对叶片清洗装置实现远程控制的要求, 进行了如下分析。

1) 如果要实现在线远程控制, 首先在线清洗供水阀需要实现自动控制, 阀门需要采用自动控制阀 (电动或气动) 。

2) 叶片清洗水泵需实现自动启停和远程控制。

3) 水箱液位需要实现自动监视并提供补水。

4) 在控制系统中实现远程控制逻辑。

4 系统修改与确认

针对以上分析结果, 笔者对装置和系统逐项进行修改和确认。

1) 在线清洗供水阀需要由原来的手动阀改为电动阀。电动供水阀应能通过就地控制盘控制, 也能通过燃机控制系统远程进行控制。电动供水阀动态响应速度要求阀门从全开到全关时间小于5 s, 从全关到全开时间小于30 s。

2) 叶片清洗水泵直接进入控制系统进行启停或者由设备自动控制, 以实现远程控制功能。

3) 水箱注水阀需要在原来的手动的基础上增加一路电磁阀旁路。

4) 水箱液位计增加液位变送器, 水箱的补水也由装置通过液位判断自动控制。

修改后的叶片清洗装置系统见图1。

5 改型后的清洗装置

1) 清洗水箱。容量:1.60 m3, 工作压力为大气压 (水箱应做灌水试验) 。结构:钢板焊接结构 (材料为SUS304) 。附件:完整一套 (磁翻板液位计, 液位开关以及变送器等) 。

2) 泵。容量:250 L/min (不包括泵系统自身需要的最小循环流量) 。出口压力:0.98 MPa G。工作温度:15℃。工作介质:除盐水。

3) 电动机。型式:全封闭风扇冷却 (TEFC) 。出力, 电压:22 k W, AC380 V, 50 Hz。转速:3000 r/min。

4) 泵箱或水箱入口过滤器。Y型, 40/60目, 不锈钢。

5) 供水阀。在线:电动阀。离线:手动阀。

6 在线清洗远程控制的逻辑实现

在系统修改完成后, 面临的最大问题是如何实现远程控制。因为设备需要进入燃机控制系统控制, 然而燃机控制系统又由燃机技术支持方编制。原本想把叶片清洗泵的控制、供水阀的控制和注水阀的控制全部进入燃机控制系统, 但技术支持方并不愿意修改逻辑。这样以来, 只能通过叶片清洗装置本身实现。因此, 除了在线清洗供水阀的开启和关闭在燃机控制系统中完成外, 其余自动控制和检查以及信号反馈均由装置本身完成。装置本身的自动控制采用PLC控制器方式与燃机控制系统的对接, 实现在线清洗的远程控制。以下是对叶片清洗装置控制器的要求。

叶片清洗装置能就地手动控制完成在线清洗和离线清洗, 也能满足由燃机控制系统远程控制完成在线清洗程序。装置就地控制盘为PLC可编程控制器、接触器、继电器、按钮和指示灯等组成的控制电路。在就地控制盘的PLC控制下可实现对设备内每个电气执行器的就地独立控制。就地控制盘PLC应能实现系统清洗前的所有准备工作的自检, 并向燃机控制系统提供反馈信号以便燃机控制系统能顺利完成在线水洗程序, 在燃机控制系统完成在线水洗程序后, 应能自动停止装置。

通过分析改型后的控制单线图 (见图2) , 对该装置的控制基本描述如下。

1) 燃机控制系统发出“燃机叶片清洗装置在线清洗启动”的指令, 当然, 燃机控制系统会对这个指令附加条件, 比如燃机的负荷范围, 进气温度的范围等。

2) 叶片清洗装置的PLC控制器收到该信号后, 启动改装置, 诸如启动叶片清洗水泵, 检查液位, 如果此时水位不够, PLC控制补水阀补水, 并检测本系统是否异常。当PLC判断系统无异常并启动正常后, 发送给燃机控制系统“准备就绪信号”。

3) 燃机控制系统在收到叶片清洗装置的“准备就绪信号”后, 就开始按照压气机叶片清洗的流程来控制在线清洗供水阀的打开和关闭。另外, 在线清洗过程中, PLC应能自行补水并保证不会出现低水位停泵, 而另一方面, 如果从PLC到燃机控制系统的“准备就绪信号”消失, 燃机控制系统会中断叶片清洗程序。燃机控制系统发出“燃机叶片清洗装置在线清洗启动”信号消失, PLC自动关闭叶片清洗装置。

简单地说就是燃机控制系统通知PLC把叶片清洗装置准备好, 并通过燃机控制系统控制供水阀。通过这种方式, 叶片清洗装置与燃机控制系统之间的配合和协调就简单了, 主要是由叶片清洗装置本身修改控制方式和逻辑来完成。

7 结束语

综上所述, 装置的改型设计及远程控制的实现满足了用户对于在线清洗实现就地和远程控制和的要求。该设计的难点主要是对系统配置的设计和与燃机控制系统之间的配合协调。如果要求技术支持方修改燃机控制逻辑的话, 必然将会增加相应的设计费, 而且会耗费很长时间。最终选择了修改装置本身的控制集成, 改为PLC控制器的方式来实现。即能够自主实现, 又满足用户了远程控制的需求。该压气机叶片装置的改型设计已经完成。

参考文献

[1]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京:机械工业出版社, 2000.