热障涂层叶片的颤振分析
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摘要
航空发动机叶片在高温高压下做高速旋转运动,在工作状态下需要承受很大的离心力和热载荷作用,由此而产生的振动对发动机的安全性和可靠性具有非常大的影响。热障涂层技术可以提高叶片的工作温度以及耐磨损、抗腐蚀氧化的能力,目前已广泛用于航空发动机、高效燃气轮机的燃烧室和涡轮叶片等热端部件,并取得了良好的效果。本文将航空发动机热障涂层叶片简化为一个固定在高速旋转的刚性轮毂上并具有预安装角和预扭转角的悬臂层合板模型;同时考虑叶片的工作温度以及叶片在高速旋转时产生的离心力的影响,基于一阶剪切变形理论和von Karman大变形理论,得到热障涂层叶片夹层板模型的动能和势能方程,通过Ritz法和Chebyshev多项式,求出叶片夹层板模型的振型函数;叶片所受气动力由一阶活塞理论得到,并利用Hamilton原理建立高速旋转热障涂层叶片模型的非线性动力学方程;对动力学方程进行无量纲化,利用求得的叶片振型对非线性动力学方程进行Galerkin离散,得到系统常微分形式的非线性动力学方程;忽略非线性项,将常微分形式的动力学方程转化到状态空间中,利用特征值法对热障涂层叶片进行了颤振分析,研究了热障涂层叶片的转速、涂层的厚度、叶片的预安装角和预扭转角以及工作温度等系统参数对叶片颤振边界的影响。
引文