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微型涡喷发动机离心压气机叶轮强度分析

2024-12-11 86 上传者：管理员

摘要：发动机旋转部件的强度分析是微型涡喷发动机设计过程中的重要组成部分，具有足够的结构强度是发动机正常稳定运行的保证。首先介绍了微型涡喷发动机离心压气机的国内外研究现状，并以KJ66涡喷发动机的离心压气机叶轮为例，分析了其结构组成及特点，并基于SolidWorks软件建立了离心压气机叶轮的三维模型；然后利用有限元软件ANSYS Workbench建立了有限元模型并进行了力学仿真研究。通过对离心压气机叶轮力学强度的模拟分析，为离心压气机叶轮结构进一步优化设计提供了一定的理论参考。

关键词：
动力推进装置
微型涡喷发动机
有限元分析
离心压气机叶轮
结构强度
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微型涡喷发动机作为一种高能量密度的动力推进装置，具有结构紧凑、体积小、转速高等特点，被广泛应用在国防和民用领域。因其广阔的应用前景和价值，一直备受国内外科研工作者的关注，是航空发动机领域不可或缺的一部分。随着近年来微机电技术(MEMS)的飞速发展，国内外对微型涡喷发动机的研究也日益深入。离心压气机作为微型涡喷发动机的核心元部件，其叶轮的工作可靠性与发动机动力性能密切相关，因此，研究离心压气机的结构强度具有重要的科学意义和实际应用价值[1]。理论计算与数值分析一直是结构强度研究的两大主要方法，然而离心压气机的叶轮结构复杂、转速高，因此使用理论计算方法很难准确计算其结构强度。过去的设计主要基于长期积累的设计经验，而随着计算机技术的快速发展，数值计算方法也得到了进一步发展，当今利用计算机软件已经成为了研究人员分析和设计产品的重要手段之一[2]。

本文以微型涡喷发动机用压气机叶轮为研究对象，利用SolidWorks软件对该离心压气机进行三维建模，将所建立的几何模型导入有限元软件ANSYS Workbench中进行仿真分析，求解得到离心压气机叶轮应力结果，并对其进行了相应的讨论和评价。

1、国内外研究现状

1.1 微型航空发动机研究现状

微型航空发动机是航空发动机的一个重要分支，是一种精密的旋转机械。微型涡轮喷气发动机具有推重比大、体积小、转速高的特点，在各类无人机、巡航导弹中发挥着越来越重要的作用。微型涡喷发动机在二战之后引起了世界各国的高度关注，其技术难度相对较低，很多国家都可以自行设计并制造微型航空发动机，实力比较突出的国家有法国、德国、美国、英国等。国内拥有众多微型航空发动机研制单位，主要包括中科院系统、中航工业系统、航天集团以及一些高等院校等。

美国是最早研究微型涡喷发动机的国家之一，其众多巡航导弹动力装置均采用涡喷发动机，两个最著名的导弹涡喷发动机是威廉斯国际公司的F107发动机和特里达因公司的J402发动机。法国透博梅卡公司相继开发了Marbore2D、Arbizon3B、Arbizon4等型号涡喷发动机。其他发达国家也在积极进行相关研究。我国对于微型涡喷发动机的研究相对较迟，但是其广阔的应用前景逐渐得到科研机构的关注，目前一些高校和科研院所正在开展研制工作。西北工业大学从20世纪90年代开始自主研制我国第一台微型涡喷发动机。另外，我国中航工业的一些研究所也在一直默默开展微型涡喷发动机的研制。经过多年的探索，我国科学家在微型涡喷发动机的研究、设计和生产方面积累了丰富的经验和理论基础，但是与国外相比还存在一定的差距，需要进一步加强研究[3]。

1.2 离心压气机研究现状

离心压气机的特点是单级增压比高、工作范围广、抗腐蚀能力强、便于维修，因此微型发动机的压气机广泛采用离心式压气机。自20世纪30年代离心压气机在航空发动机上首次应用以来，就奠定了它在航空发动机发展史上的地位。但这个时期离心压气机的理论尚未成熟，单级增压比在4左右，流量较小，一般用于功率较低、尺寸较小、重量较轻的微型发动机。20世纪80年代，随着离心压气机设计技术的发展，其单级增压比可达到8左右。目前，随着设计理念的不断更新以及各种新材料的研发和成功应用，离心压气机的产品可靠性和工作效率大幅度提升，其单级增压比可达到10以上[4]。

2、离心压气机叶轮结构分析

离心压气机叶轮结构相对复杂，难以在ANSYS中直接建模，而三维建模软件SolidWorks具有强大的几何建模功能，可以修正各种复杂曲面。因此，本文基于SolidWorks建立离心压气机叶轮几何模型，建模过程中尽量不做任何简化，以保证仿真模拟结果的准确性。叶轮是离心压气机的主要工作部件，由轮盘和叶片组成。叶轮安装在轴上并驱动旋转，叶轮叶片受到气体的作用高速旋转。由于离心力和气体在叶轮中的膨胀流，气体通过压缩机后压力增加。此外，气体的动能在叶轮中也相应地增加。可以认为，气体增加自身能量的唯一途径是通过叶轮的作用。安装在主轴上的所有旋转部件都由叶轮支撑并传递扭矩。

本文以涡喷发动机KJ66的离心压气机叶轮为研究对象，叶轮整体轮廓尺寸为56 mm×56 mm×24.5 mm, 叶片厚度为1 mm, 轮盘中心孔直径为6 mm。如图1所示，KJ66涡喷发动机的离心压气机叶轮为叶盘一体化结构，叶片采用广泛使用的后向弯曲叶片，它比前向弯曲叶片具有更高的级效率和强度，并且还可以通过增加其周向速度来获得更高的增压压力。

图1离心压气机叶轮

3、离心压气机叶轮强度分析

离心压气机叶轮工作时始终处于高速旋转状态，旋转会在叶轮上产生较大的离心力。作为微型涡喷发动机的关键元部件之一，其结构强度与发动机的工作状态和工作寿命息息相关。因此，离心压气机叶轮的强度校核是微型涡喷发动机设计工作中的关键一环[5]。

3.1 有限元模型

首先基于SolidWorks建立离心压气机叶轮几何模型，然后将其导入ANSYS Workbench中建立有限元模型并施加边界条件和约束。

离心压气机采用锻铝合金材料，其材料参数见表1。离心压气机叶轮有限元模型如图2所示，有限元建模网格控制方式主要是以四面体为主，选取合适的网格密度，得到比较合理的四面体单元网格。为了更准确地分析过渡圆角处的应力和应变，使用了相对密集的网格。离心压气机叶轮结构承受着比较复杂的载荷，包括离心载荷、热载荷、装配应力等。其中，离心载荷和热载荷是最主要的载荷，为了提高分析结果的收敛性，静强度分析中只计入离心载荷和热载荷。根据离心压气机叶轮结构的装配过程，得到约束条件如下：离心压气机圆弧端齿处施加轴向约束；为了防止离心压气机发生刚性位移，在圆弧端齿面上的节点处施加周向约束[6]。

通过分析离心压气机叶轮结构的受力和约束条件，并考虑其工作状态下的离心载荷和热载荷，设置有限元模型中的边界条件如下：离心载荷以100 000 r/min的工作转速施加于所有单元；使用395 K的平均温度将热负载施加到所有节点。

表1离心压气机材料参数

图2离心压气机叶轮有限元模型

3.2 强度分析

微型涡喷发动机的离心应力大于普通发动机。尽管微型涡喷发动机的转子直径很小，但转速很高，达到每分钟十万转以上。根据物理学知识可知，离心力与角速度的平方呈正比例关系。

分析得到的离心压气机叶轮表面应力分布如图3所示。由图3可以看出：在离心载荷和热载荷的耦合作用下，最大应力出现在离心压气机叶轮结构的中心孔处，最大应力为313 MPa。而锻造铝合金材料的屈服强度为350 MPa, 最大应力小于屈服强度，因此所选材料能够满足强度设计要求。

图3离心压气机叶轮表面应力分布

4、结论

基于SolidWorks建立离心压气机叶轮的三维模型，该模型可以准确描述离心压气机叶轮的几何特征。将该模型导入有限元软件ANSYS Workbench中，施加边界条件并求解得到离心压气机叶轮静强度分析结果。分析发现最大应力出现在圆盘的中心孔处，其值为313 MPa, 而锻造铝合金材料的最大屈服强度为350 MPa, 因此，所选材料能够满足强度设计要求。

参考文献:

[1]何学群,董星涛,曹淼龙.离心压气机不同结构方案的内部流场数值模拟与试验对比[J].小型内燃机与车辆技术,2009,38(6):35-38.

[2]周进,谢卫红,王毅.高压比离心压气机叶轮强度分析研究[J].机械工程与自动化,2018(2):98-99,102.

[3]梁德旺,黄国平.厘米级微型涡轮喷气发动机主要研究进展[J].燃气涡轮试验与研究,2004,17(2):9-13.

[4]黄生勤,温泉,银越千,等.离心压气机发展现状与展望[J].国际航空,2016(2):63-65.

[5]袁有志,王立平,关立文.基于有限元法微型涡喷发动机转子系统分析[J].机械设计与制造,2006(12):1-3.

[6]张馥华,王有槐.压气机叶轮强度三维有限无限元计算分析[J].柴油机,1999(6):22-25.

基金资助:山西省专利转化专项计划项目(202305001);山西天地煤机装备有限公司科技重点项目(M2023-ZD13);

文章来源:米雄伟.微型涡喷发动机离心压气机叶轮强度分析[J].机械工程与自动化,2024,(06):48-49+52.