转静干涉对转子叶片颤振特性的影响

在不同气动工况、不同几何模型下,采用自行开发程序对全环多排的高压压气机进行了流固耦合数值模拟,分析了进口导流叶片(IGV,以下简称导叶)对转子叶片颤振稳定性的影响。通过对气动弹性标准算例4的数值模拟验证了程序在颤振领域的有效性。针对导叶-转子模型和单转子模型,考察了近堵塞点、近设计点和近失速点3个工况下,节径变化对叶片颤振稳定性的影响,给出了气动弹性最不稳定状态对应的叶片振动形式。通过对比发现,导叶作用随工况而异,近堵塞点导叶使得转子1阶弯曲模态气动阻尼提高130.63%。研究表明:导叶引起的非定常压力波反射增强了转子叶片的非定常压力扰动幅值,使得弯曲振型的颤振稳定性增强。基于单转子模型的颤振分析给出了不准确的气动阻尼值。      

轴向间距对转子叶片颤振特性的影响机理

使用自行开发的非定常流固耦合数值模拟程序,研究了上游叶排影响转子叶片颤振特性的机理,采用影响系数法分析轴向间距影响转子气动弹性稳定性的规律。结果表明:在协调叶栅中,叶片吸力面相邻的叶片振动对转子叶片气动阻尼的大小起决定性作用,其影响甚至超过振动叶片本身的影响;多排环境中,导叶（IGV）对转子叶片气动阻尼最小值的影响最大,并使其对应的节径增大;相邻叶片振动引起的通道变化抑制了导叶对非定常压力波的反射作用;随着轴向间距的减小,导叶对非定常压力波的反射作用减弱了非定常压力波的周向衰减,从而增大了叶片振动的非定常影响范围;在多排环境中使用影响系数法需要测量更多的叶片才能得到较为准确的气动阻尼。      

跨音速风扇全环叶片颤振特性的流固耦合分析

发展了求解叶片颤振问题的流固耦合计算方法和全环叶片振动的气动弹性模型,在每一时间步同步求解流体运动方程和叶片振动方程并交换边界信息;流体域求解了非定常雷诺平均N-S方程,得到每一步由于叶片变形而引起的流场变化;叶片变形则由积分叶片表面受到的气动力并求解结构动力学方程得到.颤振分析是在全环叶片模型上进行的,并解除了预先设定叶片间相位角的限制.此方法的显著特征是在一次气动弹性计算过程中,可同时分析叶片多个固有模态、多个节径下的气动弹性稳定性,大大提高了使用时域法进行叶片排气弹分析的计算效率.考察了NASA rotor 67风扇全环模型在堵塞点、最高效率点和近喘点3个气动工况下,节径变化对叶片气动弹性稳定性的影响,给出了不同模态下气弹最不稳定状态对应的叶片振动节径形式.结果表明,振动形式对于叶片气动弹性稳定性的影响很大.     

跨音速风扇全环叶片颤振特性的流固耦合分析

发展了求解叶片颤振问题的流固耦合计算方法和全环叶片振动的气动弹性模型,在每一时间步同步求解流体运动方程和叶片振动方程并交换边界信息;流体域求解了非定常雷诺平均N-S方程,得到每一步由于叶片变形而引起的流场变化;叶片变形则由积分叶片表面受到的气动力并求解结构动力学方程得到.颤振分析是在全环叶片模型上进行的,并解除了预先设定叶片间相位角的限制.此方法的显著特征是在一次气动弹性计算过程中,可同时分析叶片多个固有模态、多个节径下的气动弹性稳定性,大大提高了使用时域法进行叶片排气弹分析的计算效率.考察了NASA rotor 67风扇全环模型在堵塞点、最高效率点和近喘点3个气动工况下,节径变化对叶片气动弹性稳定性的影响,给出了不同模态下气弹最不稳定状态对应的叶片振动节径形式.结果表明,振动形式对于叶片气动弹性稳定性的影响很大.     

有关蒸汽轮机失速颤振模型的一个实验

本文采用端壁带扩张角(50°)的平面叶栅,模拟汽轮机小容积流量工况外环壁附面层是否出现大尺度分离。实验结果表明,大扩张角的端壁附近叶盆上有分离团,端壁上只有马蹄涡及其与通道涡的相互作用,并未出现大尺度的分离团,说明采用取特征截面的方法预测叶片颤振仍然有效,但需进一步考虑二次流的影响。汽轮机内环失速区的存在改变了叶片上气动功的分布,为了消除预测颤振时取特征截面的任意性,对失速颤振计算模型提出了改进意见。     

轴流压气机尾流撞击效应机理的数值模拟

通过精确给定转子进口边界条件,以模拟上游静子尾迹对转子流场的影响,这样利用单排的计算结果模拟转/静干涉引起的非定常流动对流场气动参数的影响,因为相邻叶片排的叶片数不同,从而避免传统方法中常用的叶片数约化存在的难以正确模拟非定常激励频率的问题,对计算时间和计算能力的要求也可减少.针对一个低速转子的数值模拟结果显示,如果能合理地组织来流尾迹的扫过频率和尾迹亏损的幅度,对转子气动性能的改善是很显著的,从而为风扇/压气机中控制和利用非定常流动提供了一个可行的方向.     

叶片三心对颤振影响的理论研究

本文研究了叶片三心,即重心、扭心和气动力中心对颤振特性的影响。列出了叶片特征截面上叶片型面的弯扭耦合动力方程,计人与位移和速度成线性函数的气动载荷,求解方程并研究了三心与颤振特性的关系。 结果表明,扭心靠近前缘的叶片比扭心靠后的更易起颤;前置重心对稳定性有很大改善;对前置扭心,非定常气动力心位于重心、扭心之间较为稳定,而移至重心之后就易于稳定;但对于后置扭心,气动力中心位于重心、扭心之间也将失稳,而最好气动中心靠近叶片的前缘处。     

叶尖间隙对失速颤振影响的实验研究

本文介绍了在跨音压气机试验台上,对BF-1系列转子在两种不同的叶尖间隙(δ_1=1.6,δ_2=0.5mm)下进行颤振实验的情况。文中对实验结果进行了初步分析。实验结果表明,对δ=0.5mm的叶尖间隙,由于二次流损失减少,气流激振能量增加,使叶片失速颤振区的范围扩大,颤振边界前移。     

磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络分析

针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)空间应用问题,研究其多自由度角动量包络模型。依据MSCSG的机械结构,分析磁悬浮转子径向万向偏转特性,明晰MSCSG轴向一个自由度转子转速变化飞轮力矩和径向两自由度转子万向偏转陀螺力矩输出机理。基于洛伦兹力磁轴承(LFMB)原理,分析径向偏转力矩与控制电流的线性关系,揭示MSCSG陀螺力矩高精度高带宽的优势。考虑转子径向偏角和轴向转速饱和问题,基于重构偏角和旋转矩阵构建MSCSG角动量包络模型。仿真分析了MSCSG径向偏转力矩高精度高带宽、轴向飞轮力矩高精度的特性。开展MSCSG偏转力矩高带宽性能测试,实验验证MSCSG能够输出大于100 Hz的径向偏转力矩。研究结果表明,MSCSG具有航天器高动态微振动抑制和高精度姿态控制的空间应用前景。     

基于等效梁模型的长直机翼动力学与颤振分析

针对多自由度的复杂结构,建立简化的等效结构模型,可以快速、有效地进行结构分析.采用能量等效的方法,将多自由度、结构复杂的长直结构等效为空间梁,推导得出等效梁的刚度值和惯量值,利用有限元法得到总体刚度阵和质量阵.针对某机翼模型,得出了等效梁的刚度值和惯量值,进行了振动和颤振特性分析,并分别与有限元软件的计算结果作了对比.结果表明:该等效建模法大大降低了结构自由度,振动及颤振分析误差较小,而且其主要参数值方便修改,因此该方法可用于飞行器的初级设计或结构优化设计.     

压气机叶片失速颤振的声学现象

本文介绍了BF-1-1及BF-1-2两个转子在两种不同叶尖间隙(δ_1=1.2mm及δ_2=0.5mm)下叶片失速颤振的特殊发声现象。发声频率为275～285Hz,文中对实验结果作了初步的理论分析。     

用整体传递系数法分析转子系统动力特性

整体传递系数法是在传递系数法的基础上,引入整体矩阵实现多子结构整体传递的一种用于转子系统动力特性分析的新型方法.整体传递系数法对于解决多转子(或机匣)相互耦合系统的问题有其独特的优点:节省计算时间,节省内存,采取状态参量中的位移项代替力项,可以消除传统的传递矩阵中的数值不稳定现象.利用此方法进行了多转子耦合系统的临界转速和振型的计算,结果表明,计算速度和数值的稳定性与其它传递矩阵法相比具有明显的提高.     

预测叶片失速颤振的一种半激盘方法

变形激盘法是预测叶片失速颤振的实用工程方法之一,其不足之处是忽略了叶片槽道内的非定常流动。本文从非失速颤振的半激盘模型出发,发展了一种适用于失速颤振的半激盘模型,利用简化的槽道非定常解,克服了激盘模型的不足。通过轴流压气机的算例表明,计算与实测结果吻合程度比变形激盘法大有改善。     

轴流超跨音高载荷对转涡轮气动特性分析

对转涡轮可有效提高涡轮级效率、减轻涡轮重量、缩短涡轮轴向尺寸和减少涡轮零部件数目.分析了轴流式超跨音高载荷低压无导叶对转涡轮基本气动特性,推导了效率公式,阐述了对转涡轮在减少设计自由度后,其高低压转子气动参数间相互制约关系.研究结果表明:为合理分配对转涡轮高低压转子轮缘功,气动设计参数调整的结果使高压涡轮载荷系数增加,气流转折角变大,气动特征参数明显高于传统同转涡轮.     

带有燃气舵的导弹舵面颤振分析方法

传统的颤振分析方法以及商业软件不能分析带有燃气舵的导弹舵面颤振.为此,提出了一个解决带有燃气舵的导弹舵面颤振分析方法.采用动态子结构方法建立带有燃气舵的导弹舵面颤振状态空间运动方程和分析方法,结构质量矩阵和刚度矩阵分成对应于广义坐标的块矩阵;可以考虑不同来流气动效应和翼-体组合对气流的影响,用非定常气动力有理函数拟合法建立时域非定常气动力求解模型.算例数值结果表明:燃气舵舵轴与空气舵舵轴刚度之间的不利耦合会让空气舵颤振速度降低.上述分析方法和计算结果为导弹设计提供参考.     

高超声速下翼面的热颤振工程分析

针对高超声速下翼面的结构、气动和热的耦合动力学问题,提出了热颤振分析的分层求解思路.首先分析结构在热环境下的固有动力特性,然后应用van Dyke活塞理论计算高超声速非定常气动力,最后采用p-k法进行颤振求解.对某高超声速全动舵面和小展弦比根部固支翼面进行了热颤振的分析与比较.计算结果表明,受热后结构的动力学特性和颤振特性均可能发生变化,尤其对于小展弦比根部固支翼面,由于热效应对其扭转刚度影响很大,从而导致弯扭耦合型式的颤振临界速度大幅度下降.     

叶轮机械中转子角加速度对非定常流场的影响

本文推导了存在转子角加速度时,描述叶片排三维非定常流场的无粘基本气动方程组。并给出一些简化及变换形式。     

叶片错频防颤的优化设计

本文提出一适于找寻使叶片转子系统稳定性最好的叶片频率分布的优化过程。采用了双自由度叶片模型,计入了非定常气动力,列出叶栅运动的气动弹性方程,选择衡量系统稳定性的指标量作为目标函数,利用数值优化方法得出了满足一定叶片频率变化量要求的最优频率分布方案。     

基于Volterra级数的跨音速非定常气动力建模

为了有效实现跨音速气动伺服弹性的分析与综合,应用Volterra级数理论建立了一种跨音速非定常气动力状态空间建模方法.小扰动假设下的跨音速非定常气动力可以近似地表示为一阶Volterra级数的形式.通过CFD(Computation Fluid Dynamics)技术计算得到由结构变形产生的非定常气动力阶跃响应可辨识出Volterra核,由此得到频域的广义非定常气动力影响系数.利用气动力有理函数拟合,得到气动弹性状态空间模型.为验证气动力建模的有效性,以后掠机翼为例进行颤振计算.结果表明,Volterra级数方法得到的非定常气动力模型能够反映一定的跨音速气动特性,颤振计算与CFD-CSD(CFD-Computation Structure Dynamics)的计算结果吻合很好.      

利用双目标优化寻求颤振抑制控制律

本文对一个三角机翼/外挂系统的颤振主动抑制进行了系统的研究。在理论上,对如何应用现代控制理论设计优化控制律进行了探讨;对非定常气动力拟合的Pade矩阵近似作了改进;提出了用理想极点和二次型性能指标进行双目标优化来确定加权矩阵的思想;在实现上,用状态观测器和单秩法极点配置两种方法设计了输出反馈控制律。风洞实验结果表明:用本文的方法所综合的控制律是合适有效的,成功地使机翼/外挂系统的颤振速度提高了15.7％,与理论计算结果吻合良好。