利用ANSYS和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子模态及临界转速的分析计算.docx
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利用ANSYS和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子模态及临界转速的分析计算
ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ
现代制造工程（Ｍｏｄｅｍ
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
２０１２年第４期
利用ＡＮＳＹＳ和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子
模态及临界转速的分析计算
龚建政，钟芳明，贺星，汤华涛
（海军工程大学船舶与动力学院，武汉４３００３３）
摘要：
建立了某型燃气轮机低压压气机转子的几何模型，使用可计算陀螺效应的体单元建立了转子的有限元模型。
利用数值仿真软件求解转子的前８阶模态，并基于其高速旋转结构模态分析功能画出了特征频率随转速的变化曲线即坎贝尔图。
计算得到了一阶临界转速，并就支承刚度对其影响进行了研究。
计算结果表明：
转子的设计具有良好的结构刚度；设计中需要对压气机转子第４级轮盘附近转鼓的强度给予一定的重视；转子系统临界转速安全系数合理；支承刚度的改变对临界转速的影响处于非敏感区，有利于转子的稳定运行。
关键词：
燃气轮机；压气机转子；有限元；模态分析；坎贝尔图；临界转速中图分类号：
ＴＫ４７文献标志码：
Ａ
文章编号：
１６７１－－３１３３（２０１２）０４—００７３—０５
Ｍｏｄｅ
ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｃａｌｃｕｉａｔｉｏｎ
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ｒｏｔｏｒｉｓ
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ｅｌｅｍｅｎｔ；ｍｏｄｅ
０引言
机械振动产生破坏主要因共振引起，各阶固有频率和振型是结构承受动力荷载的重要设计参数…。
当外界激振力频率与转子系统的某阶固有频率接近时，振幅会急剧增大，对机组的稳定运行不利。
伴随着旋转机械性能不断提高的要求，转子系统朝着高转速、高效率的方向发展。
转速的提高，转子与轴承间
的作用力不断增强，会导致振动过载和振动位移增
真方法对其进行动力学分析。
计算得到了转子的固有频率、振型和临界转速，并就支承刚度对临界转速的影响进行了分析。
有关结果验证了转子工作的可靠性，同时为转子的进一步优化设计提供了依据。
１计算模型的建立
研究对象为某船用燃气轮机低压压气机转子。
该压气机为轴流式，其转子共包含九级，在第ｌ级轮盘工作叶片上部制成蜂窝形式进而形成防失速腔，用来扩大第１级轮盘和整台压气机的稳定工作范围。
压气机的压比为４．５７，工作效率为０．８６６，机械效率为
０．９９５。
低压转子在１．０工况下的转速为７
４３６ｒ／ｍｉｎ。
大；同时由于转子不平衡造成的离心力使转子产生横
向振动，这种振动在某些转速（即临界转速）附近会因
为共振而显得异常强烈。
合理配置转子支承系统的临界转速是保证旋转机械安全可靠运行的一项重要前提旧Ｊ。
本文研究某船用燃气轮机低压压气机转子，通过对转子进行实体建模和有限元建模，使用数值仿
转子采用盘鼓式结构，图ｌ所示为压气机转子的几何模型。
转子使用的材料主要为钛合金，相关材料属性为：
杨氏模量Ｅ＝１．１９×１０¨Ｎ／ｍ２，泊松比肛＝０．３３，密
。
７３
万方数据
２０１２年第４期现代制造工程（Ｍｏｄｅｍ
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
Ｅ幛ｎｅｅｒｉｎｇ）
１．０２５
ｘ１０５Ｎ／ｍｍ…。
图３．图１０所示分别给出了转
子的前８阶振型。
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监≯曼
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度为４４８０ｋｇ／ｍ３。
转子系统包含两个支承：
前挠性支承为径向推力滚柱轴承，安装于前机匣中，是典型的弹性一挤压油膜阻尼支承；后支承为带挤压油膜的径向滚柱轴承，安装于过渡段中。
为建立适合数值分析的有限元模型，在实体模型的简化和几何清理过程中，叶片按等效质量和等效转动惯量，以集中质量的方式加载到轮盘中。
为提高计算精度，整个转子采用手动网格划分，单元划分为五面体和六面体。
由于结构的转动，回转结构所用的单元应该能产生陀螺矩阵，因此采用较高级的体单元ＳＯＬＩＤｌ８５模拟。
划分好的转子有限元网格模型如图２所示。
模型包含１７５３６４个节点，６１５２８２个单元。
ｏ
—Ｐ
图２转子有限元网格模型
２模态求解与分析
２．１模态求解
模态分析的主要内容是研究结构或机器部件的振动特性，得到其固有频率和振型。
将划分好的有限元模型导人ＡＮＳＹＳ进行模态求解。
为了模拟真实转子两端的支承，模型中采用连接单元ＣＯＭＢＩＮ２１４，将转子两端的支承分别简化为两个弹性－阻尼支承。
前支承刚度ｋ，＝１．８９９ｘ１０４Ｎ／ｍｍ，后支承刚度ｋ：
＝
７４
图５转子第３阶振型
２．２模态分析
当外部激励频率接近转子的固有频率时，转子的
万方数据
龚建政，等：
利用ＡＮＳＹＳ和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子模态及临界转速的分折计算２０１２年第４期
１ｈ砖圭｛芒‘葺．謦砰彳彳弋
１随讨圭｛鬈ｉ．蟹奸彳彳弋
图８转子第６阶振型
振幅将出现剧烈变化，容易使整个系统受到损害。
对
于转子的弯曲型振型，共振将增大转静碰磨的可能性
从而导致叶片损坏。
转子的前两阶弯曲模态频率分
别在１８９Ｈｚ和５０５Ｈｚ附近，可见转子一阶弯曲频率较
转子的工作频率而言较高，目．前两阶弯曲振型对应的
万方数据ｊｐ皿Ｊ研，厂ｏ１量飞州＼＼ｆ图ＩＯ转子第８阶振型固有频率值相差较大，表明转子的整体结构具备良好的刚度特性。
一阶模态位移最大值为转子的第４级附近，二阶模态位移最大值在第８级轮盘上。
从第４阶模态开始，轮盘振动逐渐显现出来，频率较高（３８０Ｈｚ以上）。
表ｌ给出了转子的每一阶振型情况。
衰１转于的振型由表１可知．低压压气机转子的模态振型包含转子整体的弯曲振动以及轮盘的弯曲和偏摆。
考虑到转子在１．０工况转速下因转子不平衡这～常见因素产７５
２０１２年第４期现代制造工程（ＭｏｄｅｍＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
生的激振频率不会超过转子的一阶固有频率，所以重点分析一阶振型下转子的受力情况。
一阶弯曲模态下转子的应力分布如图１１所示，一阶振型下应力最大值出现在转子第４级轮盘处。
通过进一步观察此处截面受力情况可知，准确的受力位置位于转子的转鼓处，转子第４级轮盘截面受力图如图１２所示。
子的ｌ临界转速在数值上与不计这种偏摆影响时的不同，所以人们把这种因高速旋转圆盘的偏摆运动而使临界转速变化的现象称为陀螺效应或回转效应。
３．２基于ＡＮＳＹＳ的坎贝尔图求解
在ＡＮＳＹＳ中，针对不同角速度下转子的多载荷步模态分析中，可通过坎贝尔图获得固有频率解，并能进一步输出受同步力或异步力的临界转速，临界转速位于正进动频率曲线（斜率大于零）和附加曲线的交点处”ｏ。
图１３所示为低压压气机转子的坎贝尔图。
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４３５．２
Ｚ
Ｊ—／
ｌ
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Ｊ—ｒ————一
频率曲线
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１）
图１３低压气压机转子坎贝尔图
３．３结果分析
由坎贝尔图解得到转子的一阶临界转速为１２
８２５
ｒ／ｍｉｎ，上文提到，低压转子在１．０工况下的转速为７４３６ｒ／ｍｉｎ，计算可得工作转速偏离其临界转速的裕
度为７２％。
工作转速相对于临界转速的裕度大于
３０％，满足工作转速偏离临界转速裕度的规定…。
４转子弹性支承剐度对临界转速的影响分析
影响转子系统临界转速的外在因素很多，包括工
图１２转子第４级轮盘截面受力图
作时转轴刚性的变化、负载的变化和工作环境的变化等，计算和实践表明，在诸多的影响因素中大多数影响都很小，工程设计可以忽略不计。
转子的临界转速除了主要取决于转子本身的结构形状以及尺寸大小
３转子临界转速求解
３．１转子的临界转速
在Ｊｅｆｆｃｏｔｔ转子的分析中，得到临界转速在数值上近似等同转子做横向振动时的固有频率的结果‘４，即临界转速ｍ＝６Ｑ厂＇ｒ／ｍｉｎ／为固有频率，Ｈｚ。
在实际计算中，常利用该结果，通过计算或测定转子系统的横向振动固有频率，来确定其临界转速。
但是在物理概念上不能把旋转转子的涡动与不旋转转子的横向振动混为一谈，这是两种不同性质的物理现象”。
由于实际转子中圆盘偏离原平面的摆动运动会产生一个使圆盘偏转角即轴的挠曲角发生变化的力矩，使得转
７６
外，还取决于它的边界条件——支承总刚度的大小。
实践证明，转子支承的刚度和阻尼特性对转子的临界转速有较大影响。
通常，弹性支承转子的临界转速较刚性支承的临界转速下降１０％～３０％，甚至４０％以上”’。
为了研究该压气机转子弹支刚度对转子临界转速的影响，计算了当弹支刚度取值从１．８９９×１０４Ｎ／
∞增大至２．２５×１０４Ｎ／ｍｍ（增大１８．５％）后，转子系
统的坎贝尔图如图１４所示。
由坎贝尔图计算得到刚度值增大后转子系统的一阶临界转速为１３５４２ｒ／ｍｉｎ。
将刚度变化前后转子
万方数据
龚建政，等：
利用ＡＮＳＹＳ和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子模态及临界转速的分析计算
２０１２年第４期
５
４
攀３
静聪
２
其振动主要受第１阶振型的影响，在材料及工艺上须保证转子的第４级轮盘对机构强度的要求。
３）一阶临界转速为１２８２５ｒ／ｒａｉｎ，工作转速相对于临界转速有充分的裕度，Ｉ临界转速安全系数合理。
４）支承刚度值对临界转速的影响处于非敏感区，转子有一个相对稳定不变的临界转速，有利于转子系统的稳定运行。
参考文献：
角速度／（ｒａｄ．Ｓ－１ｌ
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的临界转速值进行对比，见表２。
表２转子临界转速对比
［３］［４］［５］
由表２可见，弹性支承刚度的变化对转子的临界转速的影响不是很明显，幅度不超过６％，表明其对临
［６］
册——结构的建模与分析［Ｍ］．北京：
机械工业出版
社，２０１１．
界转速的影响处于非敏感区，即不会出现刚度稍有变化就引起临界转速很大变化的情况。
这样，转子－支承系统可以有一个相对确定不变的临界转速，有利于转子工作频率避开转子固有频率而稳定地工作。
且从变化率的数值来看，支承的刚度值相对于转子来说还
是偏大的。
可见，支承刚度值的设定充分考虑了转子
［７］付才高，郑大平，欧园霞，等．转子动力学及整机振动（航空发动机设计手册第１９册）［Ｍ］．北京：
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［８］
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（１）：
８４—９４．
的工作转速偏离临界转速有充分的裕度这一因素。
５
结语
本文研究证明：
１）压气机转子前两阶弯曲模态频
作者简介：
龚建政，副教授．硕士生导师，从事舰船燃气动力装１研究。
率分别为１８９Ｈｚ和５０５Ｈｚ，表明整体盘鼓式结构设计
给转子带来较好的整体刚性。
２）转子为一刚性转子，
Ｅ．１Ｉｌａｉｌ：
。
。
ｈｉｚｈ。
。
咖洲。
ｇ＠１６３．啪
收稿日期：
２０１１－０９—１５
（上接第５８页）
［３］
５
吴清一．２Ｋ．Ｈ行星齿轮的优化设计［Ｊ】．起重运输机械，１９８６（７）．
［４］［５］［６］
刘康，陈志平，王勇，等．遗传算法用于齿轮传动离散优化设计［Ｊ］．机械设计与制造工程，２００１（３）．
结语
本文所设计的减速器ＣＡＤ软件在试运行期间运
行稳定，大大提高了减速器设计效率，同时由于采用遗传算法对减速器的参数进行优化，使减速器系统中齿轮的最大线速度和下降了１７．５％，轴距和下降了１０．３％。
达到了预期的效果，有一定的推广价值。
参考文献：
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ＳｏｂｉｅｓｋｉＩＰ，ＫｒｏｏＩ．Ａｉｒｃｒａｆｔｄｅｓｉｇｎｕｓｉｎｇｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｏｐｔｉ－
作者简介：
胡兆田．剐教授。
硕士，主要从事模具设计、ＣＡＤ／ＣＡＭ的教学
和研究工作。
。
ｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｒ］．ＡＩＡＡ－９６－０７１５，Ｎｅｖａｄａ：
ＡＩＡＡ，１９９６．
陈秀宁．机械优化设计［Ｍ］．杭州：
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Ｅ－ｍａｉｌ：
ｈｕｚｈａｏｇｕ０１２３＠１６３．ｃｏｒｎ
收稿日期：
２０１１－０９－１３
７７
万方数据
利用ANSYS和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子模态及临界转速的分析计算作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷（期）：
龚建政，钟芳明，贺星，汤华涛，GongJianzheng，ZhongFangming，HeXing，TangHuatao海军工程大学船舶与动力学院,武汉,430033现代制造工程ModernManufacturingEngineering2012（4）
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