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1、摘要1ABSTRACT2第一章引言31.1离心式压气机研究背景31.2离心式压气机中的叶片掠角的研究背景 31.3离心式压气机可靠性研究背景及现状 51.4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 72.1ANSYS软件背景72.2ANSYS分析具体步骤82.3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193.1MATLAB功能和历史背景193.2压气机叶片可靠性分析现状203.3叶片共振模型可靠性分析213.4结果分析26第四章 结论与展望 284.1论文完成的主要工作284.2论文的创新点294.3课题研究的前景展望29致谢30参
2、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
3、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。RELIABILITY IMPACT of BLADE SWEEPANG
4、LE on CENTRIFUGAL COMPRESSORAbstractSince turbo technology has been created, it has been used as internal combustion engines and aerospace technology applications important core technology. Turbo technology as an efficient auxiliary acceleration technology, has gradually become the focus of global r
5、esearch in the relevant art in the art. As turbocharger centrifugal compressor technology is an important component, efficiency and safety of its operation has become a top priority of researchers to carry out research.All the advantages of centrifugal compressor prominent, has become the most stabl
6、e in the current situation is the most widely turbocharging system. Grazing angle blade design is of epoch-making significance, since the change would be running the compressor blade sweep angle of the aerodynamic performance of the flow field of a certain impact. This article first centrifugal comp
7、ressor blade natural frequencies were calculated, the natural frequency of computing applications ANSYS software. Respectively grazing angle modal analysis of blades 0 to 30 , draw 5 natural frequency bands. Then to analyze the results of natural frequency finishing the natural frequency of the blad
8、e into the blade of different mathematical models reliability, the reliability of the final difference can be drawn in different grazing angle of the blade, then the difference between a comparative analysis of them .Keywords: centrifugal compressor; blade sweep angle; the natural frequency of the b
9、lade; 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
