BM 带小叶片的高压比压气机叶轮设计BladeGen实例
航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟
航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟摘要压气机是为航空发动机提供需要压缩空气的关键部分，由转子和静子等组成，其中转子叶片是完成该功能的核心零件，在能量转换方面起着至关重要的作用。
叶片工作的环境比较恶劣，除了承受高转速下的气动力、离心力和高振动负荷外，还要承受热应力，所以在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，转子叶片强度的高低直接影响发动机的运行可靠性，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。
由进气道、转子、静子等组成的离心式压气机内部流动通道是非常复杂的，由于压气机是发动机的主要增压设备，其工作的好坏对发动机的性能有很大的影响。
随着现在的计算机和数字计算方法的大力发展，三维计算流体模拟软件越来越多的被运用到旋转机械的内部流场进行数值分析。
本文利用三维流体模拟软件ANSYS系列软件对压气机内部的气体流动性能进行模拟，得到一些特征截面的压力和速度分布情况。
关键字：转子叶片；强度计算；Fluent；轴流式压气机AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor blades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the blade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to improve the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the pressure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目录1 引言 (1)课题介绍 (1)研究方法 (1)直接计算法 (1)有限元分析法 (2)2 转子叶片 (2)叶身结构 (3)榫头结构 (5)叶片截面的几何特征 (7)3 叶片强度计算 (10)叶片受力分析 (10)离心拉应力计算 (10)离心弯应力计算 (12)气流弯应力计算 (15)叶片热载荷 (18)榫头强度计算 (19)4 压气机内气流场的模拟 (21)Fluent软件介绍 (21)双向流固耦合 (22)模型建立 (23)实体模型的建立 (23)ICEM CFD网格划分 (27)相关条件的设置 (28)运行结果和分析 (29)速度计算和分析 (29)压力场计算和分析 (31)5 结束语 (33)【参考文献】 (34)致谢 (35)附录1 相关英文文献: (36)附录2 英文文献中文译文: (50)1 引言1.1课题介绍压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，提供发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的启动提供压缩空气[1]。
燃气轮机压气机静叶片
燃气轮机压气机静叶片燃气轮机压气机静叶片，也被称为压气机 compressor stator blades，是燃气轮机中的一个重要部件。
它通过静力与动力之间的转换，将高速气流转换为高压气流，进一步提高燃气轮机的效率和性能。
本文将介绍压气机静叶片的设计、材料以及制造工艺等相关内容。
首先，燃气轮机压气机静叶片的设计要考虑到多个因素，如气流速度、压力比、角度等。
在设计中，通常需要进行流体力学分析，确定最佳的叶片形状和角度，以最大限度地提高气流能量的转换效率。
对于燃气轮机压气机静叶片的材料选择来说，需要考虑到高温高压下的工作环境。
常用的材料包括镍基合金、钛合金和高温合金等。
镍基合金具有良好的高温抗氧化和耐腐蚀性能，广泛应用于高温部件。
钛合金则具有较高的强度和轻量化的特点，适合用于高速转子和叶片等部件。
高温合金则具有良好的高温稳定性和抗蠕变性能，适用于高温高压部件的制造。
在制造过程中，燃气轮机压气机静叶片采用精密铸造或精密锻造工艺进行制造。
精密铸造工艺通常采用熔模铸造或单晶铸造技术，能够制造出具有复杂内部结构和准确几何形状的叶片。
而精密锻造工艺则能够获得高强度和高韧性的叶片。
在铸造或锻造完成后，还需要进行热处理、表面处理和精密加工等工艺，以保证叶片的高精度和高质量。
除了设计、材料和制造工艺外，还需要进行燃气轮机压气机静叶片的性能测试。
常用的测试手段包括总温、总压、流量和效率等参数的测试，以及振动测试和疲劳寿命测试等。
通过测试数据的分析和统计，可以评估叶片的性能和可靠性，并根据测试结果进行改进和优化。
总之，燃气轮机压气机静叶片作为燃气轮机中的重要部件，其设计、材料和制造工艺都至关重要。
准确的设计、合适的材料选择和精密的制造工艺能够提高叶片的性能和可靠性，进一步提高燃气轮机的效率和性能。
通过性能测试和数据分析，可以评估静叶片的性能，优化设计，并不断提升燃气轮机的整体性能。
这些方面的研究和应用对于燃气轮机技术的发展和应用具有重要的意义。
前弯叶片液力透平专用叶轮设计与实验
叶轮 蜗壳
参数 叶轮进口直径 D1 / mm 叶轮出口直径 D2 / mm 叶轮轮毂直径 Dh / mm 叶轮口环长度 L / mm 叶轮进口宽度 b1 / mm 叶片进口安放角 βb1 / （ °） 叶片出口安放角 βb2 / （ °） 转速 / （ r·min － 1 ） 叶片数 Z 蜗壳出口半径 rb / mm 蜗壳出口处高度 b0 / mm 蜗壳进口直径 D5 / mm 蜗壳包角 /（ °） 进口断面处 a0 / mm 进口断面处 ρ0 / mm 蜗壳断面形状
由 tan（ 180° － β1 ）
=
v vu1
m1
－
u1
，通过计算求得进口
相对液流角 β1 = 107°。
2. 2 叶轮进出口安放角的确定
依据 2. 1 节中推导结论，考虑叶片进口厚度对
性能的影响，应当对进口相对液流角 β1 进行适当的 修正。本文中此因素暂未考虑。假设在设计流量
下，透平叶轮工作时为无撞击进口，叶片的进口安放
vu1
=
2k D1
叶轮进口处的圆周速度计算公式为
u1
=
πD1 n 60
式中 n———叶轮旋转速度，r / min
叶轮进口处的轴面分速度计算公式为
vm1
=
Qr πD1 b1 ψ1
式中 ψ1 ———叶片进口排挤系数
本设计中采用不改变原型泵叶轮直径和转速，
叶轮进口宽度 b1 = 16 mm，先不考虑叶片厚度影响 时，在设计流量下，能够确定进口速度三角形。
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农业机械学报
2014年
别安装了压力变送器以测量进、出口压力，在透平进 口管路中安装有涡轮流量计测流量。通过测量透平 进出口压力、流量、转速和扭矩，可以计算出透平的 扬程、轴功率和效率等。实验台测量的扬程、流量、 水功率、轴功率和效率的相对误差分别为 ± 0. 72% 、 ± 0. 5% 、± 0. 88% 、± 1. 08% 和 ± 1. 39% 。 ［20］
叶轮的模态分析技术实例
转子的 『 占 １ 有振 动频率 是转速的 函数 ，转子本 身属 于连续弹性体 ， 因此根据转速的不 同， 有多 阶围有 振动
频率。在某阶频 率振动时各点位移做 出的图形 即为振 型。 根据 １ 作参数 （ 如 叶轮旋转频率 ） ， 选定 叶轮固有频 率允许范围 ，可以为初 步确定叶轮结构和避免振 动提
２ ． ， 模型 的建 立
本文使用 了 ｉ 维 参 数 化 建 模
后导入 ， 再进 行 网
卜 ＿
格 划分 冈 １ 为气 浮 机 叶 轮 的 模 型
视网 ， 叶 轮有 ８片
图 １ 三 维 几何 模 型
叶片， 有 一个 中心
孔与 轴相 连 ， 在 叶 片 设 有通 气腔
图 ２ 网格 生 成 ２ ． ２ 模 态 振 型
ｆ ｒ ａ （ － ＇ ｔ ｔ ｕＰ ｌ Ｔ １ ｒ ‘ ‘ ｈ ｌ ｌ １ ｊ ‘ ‘ ｝ ｌ Ｈ Ｐ Ｓ Ｓ Ｉ Ｉ Ｉ （ ￣ Ｉ ｌ ｔ ｍｅ ｔ ｈ （ ） ｄ ｏ ｈ ） ｇ ｙ｛ ｌ ｌ ’ ｏ ｆ ｆ ｓ ｈ ｏ ￣ Ｐ ｓ ｌ ｌ ｔ ｌ （ ’ ｔ ｕ ｔ ‘ ａ ｌ
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方 法 建寸 模型 ， 并对结构修改进行 预测 ， 其 最 大 的 优 － 鳅 越 — ■ ■ 凰 藤 鞣 ＿ ＿ — 飘 麟 嘲 删 ＿ 一 一 ： Ｉ
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（ １ ） 模态信息在频域 是被截断的， 因此需 要考虑撼断
对精 度 所带 来 的影 响 。 （ ２ ） 模 态 模 型心 考 虑扭 转 自由度 的影 响 ， 然 Ｉ ｛ １ 于扭 转 模 态 测 试技 ｌ 术发 展 尚不 充 分 ，使得 模 型 中 往往 还 不能
燃气轮机透平叶片参数化设计及优化
析和方差分析。直观分析就是根据试验的结果分析试验
值随着因素水平的变化而变化的趋势，直观的找出使得
试验目标最优的因素水平的组合
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透平叶片优化设计
响应面方法（RSM）
RSM就是寻求响应和因子集合之间的真实函数关系的一个合适的逼近式。 如果响应适合于因子的线性函数模型，则近似函数是一阶模型: 如果响应非线性，则必须用更高阶的多项式，例如二阶模型:
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透平叶片优化设计
案例
参与正交试验设计的变量为: 其余参数L，a1，和a2取值与原始叶型相同。
和叶片数z，它们的水平设置如表所示，
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透平叶片优化设计
案例
①任一列的所有水平的重复数 相同;②任两列的所有可能的水 平组合的重复数相同。凡满足 这两个条件的表就可以称为正 交表。
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透平叶片参数化表达
二维叶形
控制厚度分布的各参数意义如下: —前缘厚度，定义为中弧线前缘
点圆半径尺与L的比值; —尾缘厚度，定义为中弧线尾缘
点圆半径凡与L的比值; —最大厚度，定义为中弧线上最
大圆的半径凡与L的比值; —最大厚度位置，定义为前缘点
到最大圆圆心的轴向距离瓜与轴向弦 长L的比值;
叶片设计及优化
正问题法
己知叶栅的几何参数，要求解出流场，求得叶片表面的速度、压力等分布。 正问题方法设计叶片，就是利用正问题的计算结果修改几何参数，反复进 行正问题计算直到获得满意的气动参数分布为止。
反问题法
给定叶片表面的压力分布，通过数值方法反求得叶片的几何形状。
数值优化设计 通常需要在某种叶片参数化表达基础之上，通过流场模拟及优化算法，确
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Ansys涡轮机械叶片设计软件：BladeModeler介绍
Ansys 涡轮机械叶片设计软件：BladeModeler 介绍
前身是BladeGen，ANSYS BladeModeler 强调了它在涡轮机械叶片设计领域的强大优势。
它能在短时间内设计出形状复杂的叶片，或对已有的叶片几何进行修改。
它内置各种工业常用的叶片模版，方便用户调用。
ANSYS BladeModeler 用户界面友好，整个过程自动化，叶片的三维视图，S1及S2流面图等多种视图完整而丰富。
ANSYS BladeModeler 还可以直接读入几何模型进行修改。
用户可以通过拖动流线上控制点等方式对叶片形状进行三维的方便修改，修改的结果立即直观地呈现在屏幕上。
ANSYS BladeModeler 生成的几何文件可以输出至流体和结构分析软件进行网格划分和数值计算。
特色功能
∙
将叶片设计专家丰富的设计分析经验融入友好的图形化界面 ∙
能直接创建新的叶片几何模型，也能对已有的模型进行修改 ∙
内置模版丰富，几乎可以设计所有的轴流,径流,混流式透平机械的静动叶片.前缘，尾缘,叶根叶尖间隙,大小叶片的处理都极为方便 ∙
各种叶片视图完整而丰富 ∙
压力面，吸力面的独立设计 ∙
子午流线的任意定义 ∙
前缘，尾缘的交互式改变 ∙
与CAD 软件及CFD 软件的良好接口实现了叶片设计,加工,分析一体化 ∙ 支持Workbench 集成
客户价值
∙
内置专家模版，对不同形状的叶片和通道都能快速生成 ∙
界面友好，过程简单流畅 ∙ 前后接口丰富稳定，用户不用放弃原来熟悉的工具
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应用Bladegen的离心叶轮三维建模新方法
体更加困难。如果叶轮的设计结果不理想 ，会对整机寿命和效率以 及后续的加工带来致命的影响阳。现有 的叶轮设 计采用一元流动法
表 １某单级叶轮 的设计参数
Ｔａｂ．１ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｔａｇｅ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ
来确定叶轮的总体尺寸 ，再借助几何建模功能强大的三维造型软件
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｏｊ￣ｗｏ３＂ｅ ｄｕｅ ｔＯ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏ ｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｉｍｐｅｌｌｅｒ．Ｉｔ’Ｓ ｍｏｒｅ ｔｉｍｅ－ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ ａｎｄ ｌａｂｏｒｉｏｕｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｄａｔａ．Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎ ｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｌａｄｅｇｅｎ／ｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｉｍｐｅｌｌｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ｔｏ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅ ｔｒｉｃ ｄｉｍｅ ｎｓｉｏｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｍ ｏ ｄｅｌ ｌｉｎｅｓ ｔｈａ ｔ ｇｅｎｅｒａ ｔｅｄ ｉｎ Ｂｌａｄｅｇｅｎ ａ ｒｅ ｉｍｐｏｒｔｅｄ ｉｎ Ｐｒｏ／Ｅ ｔｏ
ｇｅｎｅｒａ ｔｅ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｅｎｔｉｔｙ ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｅｐ ｏｆｉｍｐｏｒｔｉｎｇ ｄａｔａ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄａｔａ Ｂｌａｄｅｇｅｎ ｍｏｄｕｌｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｉｍｐｅｌｌｅｒｍｏｄ ｅｌｉｎｇ ｃａｌｆ ｒａｐｉｄｌｙｇｅｎｅｒａｔｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ ｔｈａｔｆｕｌｆｉｌｌｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄｍｏｄｉｆｙｔｈｅ ｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇｄａｔａｆｉｌｅｓ ａｓ ａｎ
压气机转子叶片扭转角控制分析
压气机转子叶片扭转角控制分析摘要：压气机转子叶片安装角是影响压气机部件性能的关键因素。
为提高压气机部件效率，通过调整转子叶片装配间隙尺寸，能够改善压气机转子工作状态安装角进而改善发动机性能。
关键词：转子叶片安装角控制方式发动机性能1绪论压气机部件是航空发动机的关键部件之一，压气机部件工作直接影响发动机做功能力等性能指标。
压气机性能参数指标主要包括压比和效率。
其中增压比和效率是描述压气机气动性能的两个基本参数，一个反映压气机的做功能力，另一个反映实现该能力的经济性。
在航空发动机中，通常可以按照气体在发动机中流动的方向分类，大致可以将压气机分为轴流式、离心式、斜流式和混合式4类。
轴流式压气机相比于离心式压气机具有一定优势，其具有更小的迎风面积、更适用于多级结构，在高压比时具有更高的效率，同时流动能力强和能够采用叶栅理论等优点。
2压气机转子结构分析该压气机为轴流式压气机，压气转子为鼓盘式转子。
本节内容主要分析该转子结构，该压气机转子由轮盘组件、转子叶片、压气机轴、滚柱轴承和滚珠轴承等零件组成。
各级叶片通过榫头与榫槽相连接，压气机工作过程中，由榫头定位面承受径向离心作用力。
榫头与榫槽之间存在一定配合间隙，转子叶片圆周方向相互配合定位。
转子叶尖有配合石墨涂层，减少气流损失，同时保证叶尖刮磨安全性。
各级压气机盘前后止口端面进行轴向连接定位。
前后锁紧螺母保证压气机转子工作状态轴向定位。
转子叶片与轮盘之间采用榫头与榫槽连接方式径向定位。
转子叶片圆周方向无定位连接，靠转子叶片之间相互作用力压紧，最后由锁紧螺钉将叶盘在圆周方向锁紧。
由于连接方式非刚性连接，因此转子叶片与榫槽存在轴向和径向间隙。
榫头装入榫槽后存在轴向、径向和圆周方向位移变化自由度，当受力条件满足时，叶片将在榫槽中发生位移，进而引起安装角变化。
发动机在低转速工作过程中，压气机进入工作状态转速偏高，效率偏低，压气机后压力变化不稳定，进而影响到发动机起动合格率。