压气机是什么(压气机减重强度设计探索与研究)

某型发动机的压气机是20世纪50年代根据材料、冶金、铸造、生产和加工技术设计的，在材料和加工技术方面远远落后于当代水平。这台发动机的技术落后于同类发动机，还有很大的改进余地。特别是，同推力发动机的重量相比，重量超过几百磅，这不仅消耗了大量的燃料，而且减少了有效载荷。目前，新材料、先进的加工设备和加工工艺为减重提供了坚实的物质基础，对压缩机开展了减重研究，强度设计是保证减重成功的重要设计和分析方法之一。

该压气机是由转子和静子组成的单转子十级轴流亚音速压气机。过去，压气机是由高密度的结构钢制成的，这使压气机很重。为了减轻压缩机的重量，用低密度的钛合金代替结构钢。这就要求压缩机在对减重前后的强度、刚度和振动特性是否满足要求。进行了论证和分析工作。对压缩机整体盘和叶片在结构钢和钛合金下进行对比强度分析，确保压缩机减重强度满足可靠性要求，为今后类似产品的减重设计积累了重要经验。

1减重强度设计的技术指标

减重设计的强度分析是保证优化设计顺利进行的重要指标之一。必须保证更换材料能使零件满足减重要求，同时提高其性能指标和其他参数。

振动特性要求新材料叶片的固有振动频率应大于原材料的固有振动频率，工作区的主倍频和分频不会影响发动机的振动特性。满足材料变化和振动特性的要求，从而避免工作状态和过渡状态下的共振。

强度要求新材料的叶片和轮盘经过改进后，其强度和刚度特性优于原材料，且低于新材料的屈服极限，留有足够的余量。

刚度要求改变后新材料叶片和轮盘的最大径向位移小于原材料的最大径向位移，满足刚度设计和配合间隙的要求，避免了工况下刮磨事故的发生。

2相关理论

在分析过程中采用了ANSYS软件的最新分析方法。在软件的使用过程中，随着软件的最新版本，有限元软件的功能得到了充分的发挥，并且发现了软件的许多新功能。采用间接耦合分析，即以特定顺序求解单个物理场的模型。先前分析的结果被用作后续分析的边界条件，有时称为序贯耦合分析[1]。接触问题的高度非线性特性很难分析，需要大量的计算资源。为了进行有效的计算，采用合理的等效应力法进行等效预紧力。

3计算参数的选择

材料数据性能对比分析

根据对的材料性能和以往发动机材料的经验，并根据相关的航空材料数据手册[2-3]，对压缩机盘由不锈钢1Cr11Ni2W2MoV改为钛合金TC11。

4计算内容及结果分析

4.1叶片振动分析

在所有发动机的开发和使用过程中，几乎所有的叶片振动问题都发生了。根据相关数据，叶片振动故障约占发动机结构故障的三分之一，如裂纹和叶片断裂，其中大部分是由叶片振动引起的[4]。因此，在压缩机减重设计中，有必要对叶片的振动进行分析。

为了避免共振，对工作叶片进行了模态分析。经过计算和分析

叶片弯曲振动是叶片围绕惯性轴产生的弯曲振动。一个横向节线模态的振动为一阶弯曲振动，对模态的频率为一阶弯曲振动，两个横向节线模态的振动为二阶弯曲振动，对模态的频率为二阶弯曲振动，依此类推。一阶弯曲振动，也称为基本阶振动，其特征是节线靠近叶根，这是发动机中常见的叶片振动现象，应引起足够的重视[4]。

叶片扭转振动是叶片绕截面扭转中心线扭转时的纵向节线振动。叶根附近有纵向节线和横向节线的振动称为一阶扭转振动，对频率为一阶扭转振动，这种振动经常出现在叶片中，因此也是危险的。

复合振动通常是弯曲振动和扭转振动的复合振动。复合振动比较复杂，振动频率较高，往往具有不规则的振动模式和较高的局部应力，因为在实际工程中，发动机的实际叶片一般都是具有扭转形状的变截面叶片，应重视发动机叶片的高频复合振动。

4.3工作叶片的强度和刚度分析

有必要对工作叶片进行强度和刚度分析，以及应力分布和径向位移分析。工作叶片是压缩机中极其重要的部件，其设计直接关系到发动机的性能和安全。在实际使用中，由于叶片损坏导致发动机故障的例子很多，因此在改进压气机的减重设计时，有必要对强度和刚度进行分析。进行叶片强度分析，分析最大应力及其位置；同时进行了刚度分析，并对其径向位移进行了分析，以防止工作叶片粘在压缩机壳体上。

通过对比分析，两种材料的最大应力位置与最大径向位移位置相似。

4.4叶片离心力和轮盘预紧力分析

通过反作用力的计算，利用ANSYS软件计算叶片的离心力，利用等效应力效应，得到轮盘的预紧应力。

4.5圆盘的应力和径向位移分析

叶片的离心载荷、轮盘间的预紧应力载荷和轮盘本身的离心载荷都施加在轮盘上，并对轮盘的强度和刚度进行了分析。为了避免擦伤。分析了对光栅的最大径向位移。

预紧力以等效的方式施加，即施加一定的压力以产生特定的位移，然后该压力与其他载荷同时作用在轮盘上。

榫卯是关键部分。当应力超过材料的屈服极限时，强度分析应单独进行。榫卯部分被等分，20节点实体95单元用于计算。该单元是SOLID45(3维8节点)高阶单元，可以容忍不规则形状而不降低精度。它特别适用于具有弯曲边界的模型。同时，其偏置形状具有良好的相容性，在任何空间方向都具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形和大应变的能力。

4.6综合绩效指标

根据上述振动分析、强度和刚度分析以及材料性能对比分析，TC11的所有性能均属于1C 11 Ni2W 2 MoV。主要技术参数对比见表1。

5结论和意义

通过ANSYS软件对，对压气机减重进行强度设计分析，确定叶片和轮盘的高应力区和最大应力点位置，进行局部优化设计，确定振动特性和径向位移特性。为压缩机轻量化提供了理论依据，降低了高成本，缩短了分析周期，提高了优化设计分析能力，节约了大量测试成本。同时，也为今后类似产品的优化设计积累了重要经验