叶片掠角对离心式压气机的可靠性影响.docx
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叶片掠角对离心式压气机的可靠性影响
目录
摘要1
ABSTRACT2
第一章引言3
1.1离心式压气机研究背景3
1.2离心式压气机中的叶片掠角的研究背景3
1.3离心式压气机可靠性研究背景及现状5
1.4本论文的研究内容目的及主要内容6
第二章应用ANSYS计算不同掠角叶片的固有频率7
2.1ANSYS软件背景7
2.2ANSYS分析具体步骤8
2.3计算结果分析18
第三章运用MATLAB软件对叶片可靠性模型分析19
3.1MATLAB功能和历史背景19
3.2压气机叶片可靠性分析现状20
3.3叶片共振模型可靠性分析21
3.4结果分析26
第四章结论与展望28
4.1论文完成的主要工作28
4.2论文的创新点29
4.3课题研究的前景展望29
致谢30
参考文献31
叶片掠角对离心式压气机可靠性影响研究
摘要：
涡轮增压技术自从研发出以来，一直作为内燃机，发动机和航空航天技术中应用的重要的核心技术。
涡轮增压技术作为一种高效的辅助加速技术，已经逐渐成为了全球中相关领域的技术人员研究的焦点。
离心式压气机作为涡轮增压技术中的重要部件，其运行的效率和安全性也成为了研究人员开展研究的重中之重。
离心式压气机的种种突出的优点，成为了当前情况下最稳定也是应用最普遍的涡轮增压系统。
随着涡轮增压技术普遍应用，离心式压缩机的运行的稳定性也成为了研究压缩机之重要研究点。
叶片掠角的设计是具有划时代的意义的，由于叶片掠角的改变会对压气机运行过程中的流场的气动性能产生一定的影响。
现阶段对于叶片掠角的相关研究还都是停留在气动性能阶段，都是对带掠角叶片运行过程中的流场进行分析，而叶轮中自身的安全可靠性能并没有展开过多的研究。
本文首先对离心式压气机的叶片进行固有频率的计算，固有频率的计算应用ANSYS软件进行。
分别对掠角为0°到30°的叶片进行模态分析，求得5阶的固有频率。
然后再对得出的固有频率进行分析整理，将不同叶片的固有频率带入叶片的可靠性数学模型中，最终可以得出不同掠角叶片的可靠性的区别，然后对其中的区别进行比较分析。
关键词：
离心式压气机；叶片掠角；叶片固有频率；可靠性。
RELIABILITYIMPACTofBLADESWEEPANGLEonCENTRIFUGALCOMPRESSOR
Abstract：
Sinceturbotechnologyhasbeencreated,ithasbeenusedasinternalcombustionenginesandaerospacetechnologyapplications’importantcoretechnology.Turbotechnologyasanefficientauxiliaryaccelerationtechnology,hasgraduallybecomethefocusofglobalresearchintherelevantartintheart.Asturbochargercentrifugalcompressortechnologyisanimportantcomponent,efficiencyandsafetyofitsoperationhasbecomeatoppriorityofresearcherstocarryoutresearch.Alltheadvantagesofcentrifugalcompressorprominent,hasbecomethemoststableinthecurrentsituationisthemostwidelyturbochargingsystem.Grazinganglebladedesignisofepoch-makingsignificance,sincethechangewouldberunningthecompressorbladesweepangleoftheaerodynamicperformanceoftheflowfieldofacertainimpact.Thisarticlefirstcentrifugalcompressorbladenaturalfrequencieswerecalculated,thenaturalfrequencyofcomputingapplicationsANSYSsoftware.Respectivelygrazinganglemodalanalysisofblades0°to30°,draw5naturalfrequencybands.Thentoanalyzetheresultsofnaturalfrequencyfinishingthenaturalfrequencyofthebladeintothebladeofdifferentmathematicalmodelsreliability,thereliabilityofthefinaldifferencecanbedrawnindifferentgrazingangleoftheblade,thenthedifferencebetweenacomparativeanalysisofthem.
Keywords:
centrifugalcompressor;bladesweepangle;thenaturalfrequencyoftheblade;reliability.
第一章引言
1.1离心式压气机研究背景
早在公元1700多年，帕潘最先研究离心式的压气机，他发表的文章和图书中着重阐述了如何研究离心型的构件[1]。
之后，离心型的各种各样的机器开始发展。
公元1800多年，离心式压气机开始随着之前的研究成果逐渐发展了起来。
同期，叶轮机器的研究方程由莱昂哈德·欧拉提出。
有叶扩压器则开始研发出来并逐渐被人们使用。
公元1900年以后，离心式的压缩机的研究工作正在快速地进行。
在这个发展阶段中，各种各样的实用可靠的研究理论成果的出现。
相关研究成果的出现，全球范围内的离心型压缩机的应用就更加的多。
然而在早期阶段，由于计算手段及三元理论的贫瘠，使得几何设计或二维气动成为离心压气机的设计的主要方法。
于1950年左右时，中国的相关著名研究人员提出了双流体表面的应用理论，这个流场的气动环境的理论对离心型压缩机后来的发展有着至关重要的影响。
这个理论是最先开始对流场内部的计算进行改变分析，这样就将流场内部的计算问题进行了一定程度上的简化，然后可以更加方便地进行计算。
自从提出了三元计算方法之后，离心型压缩机的计算步骤变成从二次的计算转变成三次的种类的计算[2]。
全球各地的专家都借鉴了这种理论成果并且加以应用最终得出了各种各样的有益的成果。
1.2离心式压气机中的叶片掠角的研究背景
改变叶片掠角的造型能够极大程度上的对叶片附近流场的流动计算，这种研究成果在轴流型的压缩机中早有应用，现在将其应用于离心型的压缩机中[3]。
1950年左右时，外国的相关研究人员与中国众多的科学家都曾经设想过对叶片的形状进行改变造型使其是否能够改变气动性能，而且能够在相应的涡轮增压机械中得到充分应用。
压缩机的制造设计方面，各国的军用科技和民间科技组织在1980年到1990年之间，都对掠角的变化所造成的相应的影响进行了深入的研究。
本课题将轴流压气机带有掠角的叶片设计应用于离心压气机[4]。
1960年初后相关领域的研究人员研发出来了带掠角叶片的造型方法，全球范围内的各个压缩机领域的研究人员都逐渐对掠角展开了一系列的研究，而一些经济技术领先的国家则早早开始了掠角的计算工作，也都获得了不错的研究结果。
各国的经济都在不断的发展，研究的开展条件与环境也都得到了极大的改善，带有掠角的压缩机叶片中的掠角的概念也被应用于其他的领域中。
在不断地应用和研究过程中，研发人员也发现了掠角的种种益处而且也得到了证实[5]。
在20世纪80年代时，德国的气动研究所在发表的论文中提出，如果航空发动机能够使用带有掠角的叶片，则发动机的燃油消耗量能够得到及其可观的减少，而且周围的噪声也能够得到一定的缓解[6]。
美国的盖瑞特发动机公司所制造出的内燃机涡轮系统中也成功的应用了各种带掠角叶片并获得了各方面的提升。
甚至于在飞机的机翼上也能够见到掠角的身影，而这种将掠角的思想带入别的领域的方法也对叶片气动领域的研究人员有着深远的影响。
国际领域中带有掠角的叶片的应用技术得到了相关人员的使用，而且也吸引了很多研发人员的目光。
我国著名院士在发表的论文中提出，涡轮增压内燃机中的叶轮和叶片都是十分重要的构件，制造难度和研究难度都较高，偶尔会因为叶片或者叶轮中的一些问题而导致整个压缩机的性能甚至安全产生影响[7]。
行业内的相关从业人员一直都致力于对掠角叶片的多方面性能进行更大程度上的优化。
掠角叶片的掠形的变化也渐渐发生了变化由简单的掠变成三维的掠形，这种一直发展的过程将这个技术。
在欧洲国家的研究过程中多次使用到掠角技术来优化叶片气动性能，而且这项技术也成为了近年来多数发达国家的研究计划的核心内容，如果能够在正常使用中充分利用这项技术，能够使内燃机的燃油消耗减少十分可观的量[8]。
1970年后，全球范围内的相关研究技术都趋近成熟也都能够在掠角的研究方面有了很大的进展，而且不只是在内燃机上，在航空航天领域也有着充分的使用。
温诺史多姆在总结掠角的发展史方面有着卓越的贡献，短期内的研究关于各种掠角的叶片也都有着巨大的贡献。
中国国内叶片研究专家组织的研发机构对叶片的掠角做出了十分深入的研究，国内的研究组织对掠形的相关研究都获得了全球范围内的广泛认可，由此可见，中国在叶片掠形方面的技术是处于世界前列的[9]。
能源问题一直是困扰着各大领域的重要难题，这种问题同时也对叶片的制造产生了很大的要求，更高效率，更省油耗的叶片无疑成为了理想中的叶片。
但是几年来叶片的发展虽然也很是迅速，但是还是很难达到这种理想的状态。
根据以上研究现状及存在问题，可以看出对带有掠角的叶片的研究大多数停留在气动分析模拟阶段，而对带有掠角的叶片的结构可靠性分析却鲜有人为，结合已有离心式压气机掠角叶片研究的工作基础，本文着重研究掠角叶片的可靠性分析[10]。
带有掠角的叶片可靠性在离心式压气机中应用的研究国内外尚不多见，所以本文的研究分析具有一定的创新性。
此研究可为离心式压气机叶片设计技术的改进提供一定的理论依据。
1.3离心式压气机可靠性研究背景及现状
压气机叶片是内燃机涡轮增压技术中最重要的关键零件之一，其叶片工作的环境复杂恶劣。
叶片受到极高的离心力作用、气动激振力作用、高温影响以及叶片振动等造成的影响，都很大概率会造成故障的发生。
在发动机中所产生的可靠性故障中，叶片产生的失效故障占有相当高的比例。
国内外的内燃机在模拟实验和正常运行的过程中基本上所有内燃机都发生过关于叶片失效的故障。
由多年来的统计结果表明，70年代左右中国制造的内燃机，在暴露的场合运行中由于叶片失效所导致的返修率就能达到35%[11]。
对叶片发生故障的原因进行分析可得，叶片振动失效所导致的故障占有很大一部分，大约有总量的25%。
尤其是现代内燃机的发展趋势都是推力，推比，涵道增高变大的趋势，在这之中叶片的振动就更加容易出现[12]。
中国某内燃机的几十年的研制开发过程中，关于压气机运行时叶片的发生的故障就有23起，在这之中叶片振动所导致的故障占到高达65%。
叶片本身运行过程中的安全性能都会影响到离心式压气机甚至内燃机的运行安全和使用寿命，是内燃机安全可靠性问题中最为重要的问题之一。
所以内燃机中叶片振动的失效问题就持续受到广大研究人员的关注。
在现今，所有可行的结构可靠性分析方法中使用概率学的可靠性分析方法是应用最为普遍的。
而这种方法最重要的问题就是针对相关的问题定义可靠性的数学函数模型并对其求解。
但是因为随机变量在使用的过程中十分的复杂，相关的研究方法也在不断地完善。
在这个研究发展的过程中，国内外相关研究人员提出了设想和手段来分析可靠性问题。
根据船用的发动机涡轮增压机中叶片的相关可靠性研究，分析了叶片的安全性之后，又接着分析了叶片的可靠性问题，而这样的分析方法则为概率故障分析树。
又有人相继提出了叶片振动的失效概率分析，通过分析气体激振力频率和叶片固有频率之间的共振现象，能够得出叶片振动的可靠性模型的数学模型。
研究成果称当可靠度较高时，原始数据的分布情况也会对结果产生影响[13]。
综上所述，叶片振动可靠性的研究现状和背景，不难得出，压气机叶片振动失效的问题十分严重并且会严重影响发动机中离心式压气机的正常安全地工作，所以对其的可靠性的分析是很有意义的。
1.4本论文的研究内容目的及主要内容
从各方面的研究背景能够看出，很多学术方面的专家在离心式压气机掠角变化的气动计算方面有着很多的科研成果，然而在离心式压气机的掠角变化时的结构可靠性研究方面并没有做很多的研究，故本文针对离心式压气机的叶片掠角的变化对压气机的总体可靠性的影响进行研究，可对带有叶片掠角的离心式压气机的设计提供帮助和建议。
具体内容如下：
（1）内燃机的压缩机叶片的故障是在正常使用的过程中不能够忽视定的，根据多年的研究数据分析，叶片振动失效的情况经常发生，振动经常会导致叶片表面出现缝隙和断裂情况。
故避免叶片固有频率和空气激振力频率发生共振是避免叶片振动失效的当务之急，下面我们利用ANSYS软件对带有不同掠角的叶片的固有频率进行分析。
（2）在由ANSYS得出带有不同掠角的叶片固有频率之后，可以直接将这些固有频率数值带入叶片共振的可靠性模型，利用MATLAB软件对共振的可靠性数学模型进行编程，得出不同掠角叶片的可靠性线图。
（3）对不同掠角所对应的可靠性共振线图进行比较分析，得出不同掠角叶片之间的区别，进而对不同掠角叶片的可靠性的影响进行总结，再对不同掠角的离心式压气机设计提出相关建议。
第二章应用ANSYS计算不同掠角叶片的固有频率
2.1ANSYS软件背景
ANSYS软件是由ANSYS公司开发多功能模拟分析型的软件，在全球范围内ANSYS软件的使用普及率越来越高普及率的增长速度也是越来越快，并且能够和大量的工程软件进行连接，让各个软件之间能够方便地交流数据和结果，如ProE， SolidWorks，UG，AutoCAD等工程软件。
ANSYS软件的功能十分的强大，能够对对象的结构，温度，流体运动，声音以及磁场的变化进行各种各样的模拟。
无论是在军用，重工业，轻工业，民用产业工程中都有着至关重要的使用意义。
ANSYS软件的内容丰富，应用广泛，易于学习，现如今全球使用最多的分析有限元的软件就是ANSYS，在多年的模拟分析软件评比中都拔得头筹。
现今，我国200多所高校均使用ANSYS软件进行相关专业分析的教学和模拟分析。
ANSYS软件由三个部分组成：
预处理，运行计算和结果处理。
预处理模块给出了一个功能丰富的建模系统，使用者可以简便的利用这个模块进行有限元分析；计算运行模块包括各种各样的结构，流体，磁场，温度，声音分析功能，能够模拟出任何需要模拟的使用和分析环境，从而进行求解；结果模块能够使计算结果以各种直观的显示方式显示出来，比如利用颜色进行划分并且利用动画效果对结果进行观察，从而能都对运行结果得到一个直观的认识。
ANSYS软件给出了几十种多类的单元种类，能够模拟实际工程中的能够见到的环境和运行状态。
ANSYS软件各种各样的不同类型，能够在私人电脑或者是专业的大型计算机上运行。
ANSYS结构动力学分析简介，经过对ANSYS软件的学习可以使用下面三个步骤对具体问题进行分析：
（1）建模；
（2）加载并求解；
（3）结果提取分析。
2.2ANSYS分析具体步骤
计算物体的固有频率在ANSYS中是一项很成熟的计算方法，这种方法普遍被称为物体的模态分析。
物体的模态分析在ANSYS中能够很便捷的找到计算的步骤和方法。
首先我们可以确定叶片的材料的具体相关量，弹性模量2.06*105MPa，泊松比0.3，密度7720kg/m3，转速为86000r/min。
在SolidWorks中绘制0掠角的叶片的模型如下图所示，
图1：
SolidWorks中的0°叶片掠角的叶片模型
更改工作名称和文件名（由于ANSYS软件并没有错误返回的功能，所以修改文件名和工作名能够有助于增加具体操作过程中的容错率）
更改文件名：
单击Utilitymenu中的File再单击Jobname
将工作名改为“yepian”
修改工程的标题：
单击Utilitymenu中的File单击ChangeTitle
对不同类型的元素进行甄选
选择正确的元素种类才能够对模型进行正确的网格划分，从而进行有限元的模态分析，这里我们根据参考文献中给出的元素种类选择solid186元素。
单击MainMenu中的Preprocessor单击ElementType单击Add/Edit/Delete
单击StructuralSolid选择Solid186单击ok，对材料的参数进行输入因为进行分析的模型是叶片的模型所以要对叶片的材料参数进行输入，而定义材料的过程中弹性模量和密度是区别不同材料的重要参数。
输入材料的弹性模量EX
单击MainMenu中的Preprocessor单击MaterialProps单击MaterialModels单击Structural单击Linear单击Elastic选择Isotropic
输入弹性模量EX＝2.06*105
输入泊松比PRXY＝0.3
定义材料的密度DENS
单击MainMenu中的Preprocessor单击MaterialProps单击MaterialModels单击density
输入DENS=7720
导入叶片模型
单击Utilitymenu中的File单击Import单击Parasolid
选择叶片模型文件导入，如下图所示：
图2：
0°叶片掠角的叶片模型导入ANSYS
划分网络
单击MainMenu中的Preprocessor单击Meshing单击MeshTool
首先设置网格的全体属性
单击SizeControls中的Global中的Set键，接着会弹出GlobalElementSizes对话框，在这里ElementedgeLength输入值为1。
这一步就将总体的网格的大小给出了一个宽泛的值，这样就能够对网格进行进一步的分析。
单击SizeControls之中的Lines，然后会弹出ElementSizeonPickedLines的选取线的对话框。
然后在原模型中单击叶片边缘轮廓上的线进行选择。
继续单击ok，然后会弹出ElementSizeonPickedLines弹出框，在这个输入框中No.ofelementdivisions输入值为1。
这样就能够对网格的具体大小进行划分，划分线网格能够在这个基础上进行更加细化的分解。
然后接下来就可以开始设置划分网格类型了。
在Mesh菜单中下拉框中选择分网格的类型为Area，而在Shape选单中选择Quad，默认分网的方式为Free。
开始划分具体的网格。
单击MeshTool之后，在弹出的选项框中单击Mesh按钮，这时会接着出现MeshAeras的选择对话框。
这时只需用鼠标单击叶片的表面，单击ok键即可完成分网格。
网格划分如下图所示：
图3：
离心式压气机的叶片的网格划分
由于叶片的运行状态是绕一个固定轴进行旋转所以要对其施加合适的约束，在默认的坐标系中是无法完成这项操作的，所以接下来我们引入柱坐标的定义。
ANSYS软件中有着默认的定义坐标系的规则，变化坐标是需要将柱坐标的轴和相应的旋转轴重合，Y方向的坐标表示转角，X方向的坐标表示变化。
而ANSYS软件中的默认的情况并不能完全满足这种情况，所以这里需要一些操作来完成结果，需要创建一个Z轴为旋转轴的坐标系。
柱坐标的变换过程：
选择UtilityMenu单击WorkPlane再单击OffsetWPbyIncrements，然后会出现OffsetWP的选项框，滑动Degrees的调整器，可以将Degrees变为90，这样就相当于转动90°。
单击
按钮，即时将原坐标系沿着Y轴的方向转动90°，接着单击ok按钮，即能够使原来的坐标轴的旋转轴和Z轴重合。
然后将原来的坐标系和工作的坐标系相关联。
选择UtilityMenu单击WorkPlane单击LocalCoordinateSystems单击CreateLocalCS单击AtWPOrigin，接着会出现CreateLocalCSatWPOrigin的选项框，在Refnumberofnewcoordsys输入框中输入11，（11基本上是默认值，可以设置成别的值）。
接着单击Typeofcoordinatesystem的选项中单击选择Cylindrical1，之中的其余设置均可使用默认值，最后单击ok。
这样就可以将原本的坐标系进行变化使其能够对各种约束的状态进行分析。
接着将所有节点移到当前柱坐标系中。
选择MainMenu单击Preprocessor单击Modeling单击Create单击Nodes单击RotateNodeCS单击ToActiveCS接着会出现RotateNodesintoCS选项框。
然后再选择pickall的选项，这样的操作就能够使所有的点都在柱坐标系中激活。
然后再进行静力分析，假设在叶片的运行过程中只有离心力的作用，然后接着对叶片的离心力的值进行定义。
选定分析的类型和种类
1.选择MainMenu中单击Solution单击NewAnalysis再选择“Static”
2.MainMenu单击Solution单击Sol’nControls，这时会弹出SolutionControls选项框。
选择Basic的选项，在CalculatePrestresseffects的框前空格出单击选择。
然后打开应力操作的菜单，单击OK。
图4：
ANSYS中的求解控制设置
对叶片所受的转速影响进行定义
在本课题中采用的是叶片的模型，叶片的安装和固定情况应该是在宽度较大的一边进行固定，所以在宽度较大的一边施加载荷进行固定而别的方向并不参与固定。
在叶片的转动过程中会产生各个载荷，所以更要在分析之前对转速进行定义，步骤如下：
选择MainMenu菜单中国单击Solution再单击DefineLoads再单击Apply再单击Structural再单击Displacement再单击OnNodes，然后会弹出ApplyU,ROTonNodes的选项框，这时单击选项框中的Nodes键，选用点状的选择方式。
然后将鼠标放在边界附近，逐一点选边界上的相应的点。
这样的操作会将所有需要定义的点进行约束，后续的约束的力和转速也会在上。
接着选择单击ok按钮，然后会出现ApplyU,ROTonNodes选项框，在菜单中的DOFstobeconstrained列表中进行勾选UY，UZ两个不同方向自由度，这一步表示分别对Y和Z的两个方向进行约束。
然后在Displacementvalue的对话框中键入0。
接着对转速进行施加
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