轴流压气机气动弹性失稳的实验研究

本文介绍了在跨音压气机试验台上对BF-1系列转子开展气动弹性失稳的实验研究工作。文中提出了实验模型的零阻尼设计原则,描述了失速颤振发生的过程。分析了失速颤振发作时的气动声学现象——一种特殊的啸声。此外还给出了两种叶尖间隙和两种叶型对失速颤振影响的实验结果。最后对经验预测方法和实验结果作了对比,符合情况较好。      

桨扇模型的气动性能和气动声学的实验研究

概述了具有不同安装角的直叶片、前掠叶片、后掠叶片等3种桨扇模型在起飞状态下出口流场的气动性能和气动声学实验结果及其相互间的对比。主要结论为:良好的气动设计不仅是提高气动性能的要求, 而且也是改善桨扇气动声学性能的有效途径;有掠度的叶片具有降噪的潜力;桨扇叶尖区采用卸荷设计有利于降噪及提高效率。      

航空发动机叶片颤振机理探究

航空燃气涡轮发动机中,由颤振引发的叶片疲劳失效是导致发动机机械故障的主要原因之一。为了研究叶片颤振这一非定常气动现象,在能量法的基础上采用弱耦合的计算方法,模拟了发动机风扇叶片在不同转速和不同出口反压条件下的振动,得到了叶片的颤振边界。其中流场与叶片建模用到三维线性插值法转化振动位移,流场动网格建模用到了多层动网格技术。计算表明,叶片表面气动功的分布与叶栅内的激波分布有很大的关系,激波在叶栅通道中的振荡是引起叶片颤振的原因之一。激波在叶栅中前后振荡,使得叶片表面上单位面积做正功的区域发生变化。做正功的区域扩大时,叶片表面气动功绝对值减小,从而气动阻尼比减小,更靠近颤振边界。     

叶片颤振抑制技术的研究

本文简要介绍了近年来在叶片颤振抑制技术方面所做的研究工作,包括全频段叶片颤振预估;叶片三心设计与抑制颤振特性;叶片错频抑颤特性;叶片气动弹性剪裁抑颤技术和“叶片颤振系列”实验等问题。     

相位延迟边界条件在叶轮机械颤振分析中的应用

基于带相位延迟的周期边界条件,建立了某跨声速转子的双通道高效气动阻尼计算模型.数值计算了该转子的气动性能、颤振边界和叶片模态,和实验数据吻合较好.通过传统的多通道能量法以及双通道方法计算了叶片在一弯模态,不同叶片间相位角条件下的气动阻尼,获得了基本一致的计算结果,而双通道方法相比于传统的多通道能量法计算效率提升约7.7倍,内存需求约为后者的0.45倍.不同叶片振幅对气动阻尼结果的影响研究表明,对于较小的叶片振幅,流动非线性对气动阻尼计算结果仍然有显著的影响.不同工况的计算结果表明:叶片间相位角对转子叶片的气动阻尼有显著的影响,对于该转子最小的气动阻尼均在叶片间相位角为-42.4°时得到;同时,在近颤振状态,不同叶片间相位角对应的气动阻尼均小于近设计状态.     

频率失谐对跨声速压气机气弹稳定性的影响

为了深入理解频率失谐对跨声速压气机气弹稳定性的影响,基于能量法建立了跨声速颤振实验转子的全周气动阻尼计算模型,数值分析了转子叶片频率交替失谐、随机失谐以及线性失谐对其气弹稳定性的影响。数值计算了该转子的气动性能,颤振边界和叶片模态,其结果和实验数据吻合较好;研究不同模态、不同叶片间相位角条件下谐调转子的气动阻尼,结果表明叶片间相位角对叶片气动阻尼均有较大的影响,尤其在一弯模态下,叶片气动阻尼对叶片间相位角最敏感;对该转子所有叶片的平均气动阻尼而言,失谐的存在弱化了叶片间相角对叶片气动阻尼的影响,显著提高了该转子最不稳定状态的平均阻尼达到7~11倍,反之使其最稳定状态的平均阻尼降低约50%;失谐转子中不同叶片的气动阻尼表现出显著差异,其受叶片局部失谐模式及失谐量的影响较大。     

小展弦比压气机转子叶片颤振研究

针对小展弦比压气机转子叶片特点,在能量法计算基础上提出了两种颤振评判方法,即首先利用结构动力学分析结果对叶片频率分离度、振型和共振进行分析,判断某压气机小展弦比转子叶片存在高阶耦合颤振的可能;然后将结构动力学得到的振动位移插值到气动网格上,进行三维非定常黏性流场计算,得到非定常气动功,判断叶片是否存在失速颤振的可能.最后综合利用两部分分析结果和试验及断口分析情况,综合给出该小展弦比压气机叶片因失速颤振和耦合颤振共同作用,导致叶片在短时间内出现了裂纹.      

高速颤振模型设计中颤振主要模态的判断

颤振模型设计时难以实现完全的动力学相似,需要对颤振主要模态进行合理选择。采用数值分析方法,对颤振模型设计时主要模态的选取问题进行研究。通过各阶模态振型下气动刚度系数的比较、指定运动形式下广义非定常气动力的计算和不同模态截断下颤振结果的收敛特性分析,研究了颤振分析时不同模态运动之间的相互影响,对模态运动引起的气动力和颤振特性变化进行评估。以高超翼面模型为研究对象的数值算例结果表明,几种分析方法所判断的颤振主要模态基本一致。其中基于振型的广义气动刚度系数参数,避免了非定常气动力的计算,可作为颤振模型设计或颤振分析时主要模态选取的快速判断方法。     

风扇/压气机转子叶片定常力气动噪声数值研究

从考虑了固体边界影响和均匀介质影响后的广义 Lighthill方程出发 ,采用管道声学模型导出了风扇 /压气机转子叶片定常力气动噪声传播方程 ,并通过涡喷 11压气机单转子声学实验进行了数值模拟。结果表明 ,叶片定常力产生的气动噪声对风扇 /压气机总噪声级有重要作用。     

风扇转子叶片防颤振设计技术

以某两级风扇为对象开展防颤振设计技术研究。风扇转子叶片设计中,选择了合适的展弦比,既考虑到气动性能水平,还考虑到结构质量和颤振稳定性。采用流固耦合能量法评估所设计风扇的各排转子叶片的颤振稳定性问题,并通过叶片厚度、三维造型、根尖弦长比等设计参数的调整消除颤振风险。研究结果表明:展弦比不应是方案设计阶段防颤设计唯一的关注参数;在叶尖跨声速的转速更容易发生颤振现象;较强的叶尖前缘激波会造成较强的流固耦合作用,形成复杂的气动功分布结构;叶片厚度和尖根弦长比等参数是改善叶片颤振风险的有效参数。      

上下游干涉对转子叶片颤振特性的影响

使用自行开发的非定常流动数值模拟程序,分别考虑上、下游叶排干涉作用对转子叶片的颤振特性进行了研究,分析尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.对转子叶片表面非定常压力进行傅里叶变换,使用能量法计算气动阻尼,研究不同叶片排轴向间距下气动阻尼的变化.通过考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子结果对比,总结了干涉作用对叶片颤振特性的影响规律;结果表明:上游导叶与转子一倍弦长间距时,获得正气动阻尼,与单转子预测的气动弹性稳定性结果相反.说明在进行颤振特性预测时必须考虑转静干涉作用;尾迹和势干扰的强度均随着轴向间距值的减小而加强,且都会加剧叶片气动弹性失稳.      

栅距非谐对跨声速压气机转子气动阻尼的影响

为了提高跨声速压气机的气动弹性稳定性,针对跨声速颤振实验转子提出了栅距交替非谐布局方案,基于能量法建立了其全周气动阻尼计算模型,数值研究了栅距非谐对气动阻尼的影响。计算了谐调转子的气动性能、颤振边界和叶片模态,其结果和实验数据吻合较好,比较了谐调及非谐转子气动性能,发现栅距非谐会造成转子气动性能有所降低,随着非谐量的增加,性能降低越明显;在研究的非谐条件下,压比最大相对降低0.30%,效率最大降低0.54%。对于该转子的平均气动阻尼,栅距非谐使得转子在大部分甚至整个叶片间相角区域内气动阻尼均有所提高,最大达到37%。通过对叶片表面不同叶高的非定常压力以及积分气动力研究表明,栅距交替非谐对转子相邻两个叶片稳定性的影响存在差异,并且非谐量越大,差异越明显。     

叶型厚度参数与压气机转子叶片颤振关联性研究

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了大负荷弯掠扭组合叶片非定常粘性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。在气动设计满足设计要求的基础上,小范围调整大负荷弯掠扭组合叶片的最大厚度分布和最大厚度相对位置分布,并分别进行颤振预估计算。结果表明,最大厚度分布和最大厚度相对位置分布对颤振影响明显。在最大厚度相对位置分布相同的情况下,均匀减薄叶片,会使一阶动频减小,积累功率增大,颤振发生的可能性增大。研究结果对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

压气机风扇叶片颤振预测和抑制的工程研究

通过能量法对某压气机风扇试验件叶片原型方案进行气弹稳定性预测,计算出该方案的颤振边界点.对其中气弹不稳定叶片的几何造型进行修改以提高气弹稳定性.通过原型和改型方案的叶片几何造型、气动性能、振动特性以及气弹稳定性的对比,从气动角度分析了压气机风扇叶片颤振的机理.获得了工程上抑制压气机风扇叶片颤振的有效手段,如增大叶片弦长、降低展弦比,增大叶片厚度、增强叶片刚性,减小攻角、改善流动状况.      

一种基于CFD的叶轮机非定常气动力组合建模方法

为了获得一个准确高效的非定常空气动力学模型并将其应用于叶轮机叶片颤振特性分析中去,论文发展了一种基于CFD方法的叶轮机非定常气动力组合建模方法,可以快速计算叶轮机叶片在等相角差振动时的气动阻尼系数。运用小扰动流场的叠加原理,通过不同通道数模型的非定常流场求解(通常需要两次或三次),针对流场的周期性边界条件,组合分析得到一系列更多通道数情况下的非定常气动力低阶模型。基于这种降阶模型计算的气动阻尼系数与直接的CFD方法计算结果吻合很好,计算效率提高10倍以上。     

对转风扇设计技术研究

为了考察对转风扇的工程应用性,通过气动方案论证、气动设计技术研究、强度颤振分析研究、声学分析研究、非设计点匹配和调节研究以及进口畸变流场模拟研究,初步探讨民用大涵道比发动机对转风扇的设计技术,总结未来工程应用可能面临的问题以及解决方案。与常规风扇设计相比,对转风扇后排叶片在非设计点下的工作状态变化幅度较大,因此后排叶片的设计攻角选取不能过大。虽然较低的设计转速下转子叶片的振动频率不高,但也不必太过担心颤振问题,本文风扇在设计点并不会出现颤振问题。采用对转技术降低风扇转速是降低噪声的有效手段,本文设计的风扇远场最大声压级只有90 dB左右。对转风扇在非设计转速具有较好的性能水平,在工程应用时可以不必调节后排叶片的安装角。对转风扇对进气畸变的衰减作用十分有限,两排转子对转也使得畸变区域的周向相位移动并不明显。     

带结构刚度非线性的全动操纵面跨音速颤振特性研究

主要的研究工作是建立了以三维非定常N—S方程为主管方程的计算非定常气动力的高效计算方法，采用颤振方程和N—S方程耦合求解，时间推进的方法计算结构响应特性。发展了一种对既带有结构非线性又含有气动非线性的多重非线性的复杂颤振系统响应特性的分析方法。对全动操纵面转轴带有硬弹簧和间隙型非线性刚度的颤振系统进行了分析，计算结果表明这类系统具有复杂的极限环特性。     

压气机叶片最大挠度相对位置对颤振影响的数值研究

研究了某型压气机第一排转子叶片最大挠度相对位置对颤振的影响.首先通过调整转子叶片最大挠度相对位置,对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功进行计算分析,然后采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断.计算结果表明,该型压气机第一排转子叶片最大挠度相对位置分布不均匀会大大提高颤振发生的可能性,而最大挠度相对位置越大,发生颤振...     

预估蒸汽轮机叶片颤振的三维方法

发展了一种可考虑叶片间相角变化的三维失速颤振预测方法。二维计算的最小气动阻尼比三维值低, 说明取特征截面的二维方法偏于保守, 且特征截面的取法具有任意性, 故二维方法仅能作为叶片颤振初步预估之用。为提高颤振预估的精度, 需用三维计算对二维计算结果进行校核。三维和二维计算均表明叶片间相角对蒸汽轮机叶片气弹稳定性影响很大, 叶片颤振预测必须考虑这一关键因素的影响。      

压气机转子叶片颤振边界的预测方法

通过发展的基于能量法的颤振数值预测方法得到了压气机转子叶片的颤振边界.将计算结构动力学(CSD)分析得到的叶片表面节点位移插值到耦合面的流体网格点上,并将设计的多层动网格技术应用于计算流体动力学(CFD)方法,实现叶栅振荡作用下的非定常分析,得到叶片表面的非定常气动功以及模态气动阻尼比.以某第一级压气机转子叶片为例,对...