含裂纹叶片的失谐叶盘对航空发动机振动特性的影响

某型航空发动机装配有含裂纹叶片的失谐叶盘,基于该型发动机的性能试验,对其排气机匣振动数据进行分析,研究叶盘失谐对发动机转子动力学特性的影响.主要对比了叶盘裂纹长度与整机振动特性的关系,证明了裂纹不仅改变整机振动频率的成分组成,同时,主要频率成分的振动幅值也有较大增加.然而,当裂纹长度比小于0.3,整机振动对叶盘失谐并不敏感,这一论断为在发动机试验中及时判断叶片裂纹故障提供支持.      

叶片平均频率对失谐叶盘振动局部化影响分析

为了探求叶片平均频率对失谐叶盘振动响应的影响规律,采用有限元缩减模型分别对谐调叶盘和失谐叶盘进行振动响应分析,通过振动局部化因子对失谐叶盘振动局部化特性进行评估,获得了不同叶片平均频率和失谐标准差下叶盘系统的振幅和应变能分布,以及失谐叶盘振动局部化特性。结果表明:随着失谐标准差的增大,失谐叶盘振动幅值呈减小趋势,同时共振带变宽;在平均频率为1.0044时出现了严重的振动局部化现象,在失谐标准差为5%时,叶盘振动局部化程度较轻。     

单叶片失谐整体叶盘响应分析

以某型发动机第一级整体叶盘试验件为基础,运用理论计算与试验相结合的方法研究了该整体叶盘在单叶片失谐情况下的响应,得到了失谐叶片与"正常"叶片的前两阶振动幅值和相位.理论与试验分析均表明,该整体叶盘当单个叶片失谐量在15%以内时,一阶附近在某些失谐量下失谐叶片的振动幅值比协调叶片的要大得多,而失谐量对整体叶盘的振动在二阶频率附近的振幅影响不大.     

整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动局部化研究

为研究整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动局部化问题,建立了整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动的集中参数模型动力学方程,计算不同耦合刚度下的各阶固有频率.分析了存在冠间间隙失谐情况下,叶片的各阶次振动响应特性和碰摩力,以及叶片刚度失谐情况下,不同耦合刚度叶盘系统的斜碰撞/无斜碰撞振动局部化因子.对比分析了叶片刚度、冠间间隙分别存在随机失谐时,不同耦合刚度叶盘系统的斜碰撞振动局部化因子.研究发现:在出现斜碰撞和轮盘共振情况下,即使是谐调叶盘系统也会出现振动局部化现象.而在各阶共振情况下,失谐叶盘系统都会出现振动局部化现象.计算表明:碰摩力与振动局部化的产生有直接关系,斜碰撞使叶片对失谐的敏感程度更大.另外,弱耦合叶盘系统比强耦合叶盘系统的振动局部化因子相对更大,叶片振动对于叶片刚度失谐比对冠间间隙失谐的敏感程度更大.      

叶盘结构盘片耦合振动特性的参数敏感性

在参数化建模、求解的基础上重点研究了叶盘结构盘片耦合振动频率转向特性、由结构参数随机失谐引起的振动局部化特性对结构设计参数变化的敏感性.对盘片耦合振动频率转向特性的研究发现,随着轮盘扇区间耦合刚度或叶片刚度的变化,频率转向间隙曲线的改变具有碗状形式;对振动局部化特性的研究表明,以轮盘扇区间耦合刚度和结构参数失谐强度为自变量的失谐响应放大因子曲面呈类马鞍形;响应放大阈值现象存在与否,与轮盘扇区间耦合刚度的大小直接相关.若选择位于鞍部的轮盘扇区间耦合刚度-失谐强度组合参数设计,失谐响应放大因子最多能够被减小37.5%.      

失谐叶盘系统避共振可靠度评估方法

基于振动设计理论,考虑失谐叶盘系统激振频率和模态频率的相关性,提出了1种航空发动机失谐叶盘系统避共振可靠度的计算方法。通过确定性分析和概率分析说明了失谐会增加叶盘系统避共振难度,并得到叶盘系统模态频率的概率分布特性。在此基础上,运用所提出方法,拟合得到失谐叶盘系统的避共振可靠度响应面,进而用该响应面计算不同结构谐波系数下失谐叶盘系统避共振可靠度。将计算结果与蒙特卡洛法及未考虑激振频率和模态频率相关性的传统方法的结果进行对比,验证了所提出方法在失谐叶盘系统避共振可靠性分析中的准确性。     

某级压气机叶盘系统失谐振动关键因素研究

基于某级压气机叶片盘扇区，建立考虑非线性榫接触叶片盘有限元模型，应用提出的自由界面子结构-固定界面预应力模态综合超单元近似分析方法，并基于提出的围绕实验与有限元分析拟合出线性表达式的失谐参数识别方法，探究失谐关键因素对于叶盘系统振动的影响.结果表明，非线性榫接触不可忽略，提出的超单元法精度达到3.07%，满足要求.同时也表明，叶片平均频率、叶盘刚度比与频率转向对于失谐叶盘系统振动幅值、共振频率及应变能等参数均有一定影响.      

轴流压气机整体叶盘叶片裂纹故障研究

某型高压压气机整体叶盘在使用过程中出现叶片裂纹故障。运用ANSYS软件对该转子叶片振动特性进行详细计算分析,并结合裂纹叶片断口宏观、微观及金相组织检查结果,找出了转子叶片裂纹产生的原因;针对故障原因,采取相应改进措施,对转子叶型及结构进行优化设计,并完成试验验证考核。结果表明,针对该叶片裂纹故障的原因分析准确,改进措施有效。     

多级轴流压气机噪声源特性分析

某型轴流式压气机高压一级转子叶片出现大幅振动,并且振动频率不是转频的整阶次,即叶片非同步振动。对叶片的激励可能来源于气动和非定常流场,就包含了声场。为了研究叶片出现非同步振动时的压气机声场,在压气机机匣内壁上对压气机噪声进行测量。通过分析得知,噪声信号特征频率的出现与叶片非同步振动同时出现,主要影响因素有压气机转速、结构调节状态等参数。     

刚度随机失谐叶盘结构概率模态特性分析

基于典型叶盘结构的集中参数模型和Monte Carlo数值计算,分析了刚度随机失谐叶盘结构的概率固有特性.给出了叶盘结构的扇区两自由度集中参数模型,计算并说明了其基本频率结构特性,根据叶盘结构模态振动物理背景,提出了一个定量表征模态振型局部化程度的指标一模态局部化因子,分别计算了不同随机刚度失谐叶盘结构固有频率和模态振型局部化的统计特性,讨论了失谐因素的影响规律等.研究表明,叶片和耦合刚度的失谐影响的频率区间有着明显的不同,并在其影响频段内模态局部化因子会出现"突变"的现象.      

轴流压气机大小叶片气动弹性稳定性分析

分别采用能量法和时域法对轴流压气机大小叶片进行了气动弹性稳定性分析,获得了叶片的气动模态阻尼比和叶片表面的非定常气动功分布.对叶片的振动位移响应进行了频域分析,并与常规设计转子作了对比.结果表明:大小叶片存在的结构失谐和气动失谐对气动弹性稳定性有明显的影响.气动失谐改善了叶片表面的非定常气动功分布,结构失谐改变了叶间相位角的影响.大小叶片对应的1阶模态振型的气动模态阻尼比为0.000791,而常规设计转子的值为0.000217,大小叶片相对于常规设计转子,不仅改善了气动性能,同时还提高了气动弹性稳定性.      

喘振状态下叶片振动响应的试验研究

在某单级轴流压气机试验台上,进行了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的试验研究,利用电阻应变片、动态压力传感器、滑环式引电器和磁带记录仪等,录取叶片振动应变和动叶出口压力信号,然后回放磁带,做信号处理,在对时域和频域数据分析的基础上,论述了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的特征。     

转子叶栅非同步振荡发声特性研究

轴流压气机转子叶片排振荡疲劳失效是常见的气动弹性失稳问题。当转子叶栅处于非同步振荡状态下时,压气机管道内部将伴随着异常噪声的产生,这类噪声的频率既不是分布在叶片通过频率及其谐波上,也不是分布在转子轴频率及其谐波上,同时也不满足简单多普勒效应。为了解释这种异常噪声现象,以三维升力面理论为基础,讨论叶片对其附近流体施加非定常载荷的发声问题,给出了转子叶栅振荡异常发声问题的物理解释,建立了声场频率及模态特性与转子声源特性的直接关系式,并给出了频率特性不同于叶片通过频率且不符合简单多普勒效应的完整解释。在此基础上,通过机理性实验研究证实了该模型的正确性。实验结果表明,理论预测声场的频率和周向模态特性与实验结果完全一致。     

Applications of numerical optimization techniques to design of axial compressor blades

This paper describes the shape optimization of NASA rotor 37 and rotor and stator blades in a single-stage transonic axial compressor.Shape optimization of the blades operating at the design flow condition has been performed using the response surface method and three-dimensional Navier-Stokes analysis.Thin-layer approximation is introduced to the Navier-Stokes equations,and an explicit Runge-Kutta scheme is used to solve the governing equations.The three design variables,blade sweep,lean and skew,are introduced to optimize the three-dimensional stacking line of the blades.The objective function of the shape optimization is an adiabatic efficiency.Throughout the optimization of rotor and stator blades, optimal blade shape can be obtained.It is noted the increase of adiabatic efficiency by optimization of the blade shape with the stacking line in the single-stage transonic axial compressor is more effective in a rotor blade rather than a stator blade because of the large deformation of blade shape in the stator blade.      

Analysis of blade vibration response induced by rotating stall in axial compressor

An experimental and numerical study was conducted to investigate the forced response of blade vibration induced by rotating stall in a low speed axial compressor. Measurements have been made of the transient stalling process in a low speed axial compressor stage. The CFD study was performed using solution of 3-dimensional Navier-Stokes equations, coupled with structure finite element models for the blades to identify modal shapes and structural deformations simultaneously. Interactions between fluid and structure were managed in a coupled manner, based on the interface information exchange until convergence in each time step. Based on the rotating stall measurement data obtained from a low speed axial compressor, the blade aeroelastic response induced by the rotating stall flow field was analyzed to study the vibration characteristics and the correlation between the phenomena. With this approach,good agreement between the numerical results and the experimental data was observed. The flow phenomena were well captured, and the results indicate that the rotating field stall plays a significant role in the blade vibration and stress affected by the flow excitation.      

压气机内部噪声特征与转子叶片声固耦合机理分析

航空发动机压气机转子叶片故障多由机械激励和气动激励造成，而高强声波对转子叶片的激振因素不容忽视。通过开展某型涡扇发动机压气机内部噪声测试试验，研究压气机转子叶片振动机理及其与噪声信号的对应关系。阐述了压气机内部旋转不稳定性非定常压力波作用机制，提出了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法，完成了某型涡扇发动机压气机内部噪声信号测试，对噪声信号进行了频谱分析和声传播特性分析。研究结果表明，某型涡扇发动机压气机内部噪声信号频谱呈现高峰值纯音分量1 402 Hz，并且该纯音分量与转子叶片通过频率呈现特定的频率组合关系。该纯音分量的噪声源在压气机内部沿发动机顺航向方向从后向前传播。利用旋转不稳定性理论，将声源频率在不同坐标系下进行转换，当噪声源周向模态数为13时，该纯音分量可调制出与高压一级转子叶片一阶振动频率相对应的激振频率。     

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响

采用数值模拟方法,分析了转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响.利用CFD程序对进口静叶尾迹作用下的压气机转子叶片排非定常流动进行了数值模拟,并采用所编写的程序将气动载荷转化为有限元模型上的动态压力载荷,进行了结构瞬态响应分析.结果表明:在所考查的轴向间距下,随轴向间距的增大,转子叶片振动应力呈减小趋势,这主要是由于造成压力载荷波动的尾迹强度沿流向是减弱的.