上下游叶排对压气机转子叶片气动弹性稳定性的影响

使用自行开发的流固耦合程序集,分别考虑压气机上下游叶排的影响对转子叶片气动弹性稳定性进行分析.使用全环气动弹性模型通过叶片在非定常流场中振幅随时间的变化历程计算转子叶片不同振型下的气动阻尼,分析了不同的叶排轴向间距下尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.通过将考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子的结果作比较,总结了转子-静子结构和导叶-转子结构的干涉作用对转子叶片颤振特性的影响规律.结果表明:对于1阶弯曲模态,转子叶片气动弹性稳定性不随轴向间距单调变化;上游尾迹干涉作用和下游静子势干扰的增强会加剧1阶扭转模态失稳,但是却促进1阶弯扭耦合模态气动弹性稳定.      

进口导流叶片对转子叶片颤振特性的影响

上游静子叶片的尾迹扰动是下游转子叶片发生强迫响应问题的主要原因,但通常认为不会对颤振特性产生影响。运用CFD技术求解非定常流场,用能量法对典型涡轮风扇NASA Rotor 67进行了气动弹性分析。结果表明:不加进口导流叶片时其叶片最有可能在第二阶模态、60°叶间振动相角的情况下发生颤振;加上IGV(进口导流叶片)后,IGV的尾迹会显著改变转子叶片的颤振特性,当转子叶片的最危险颤振模态频率接近IGV尾迹的扰动频率时,即使单独转子叶片十分稳定,但在尾迹的激励下颤振仍然可能发生;当该频率远离IGV尾迹扰动频率时,尾迹扰动同样会使转子叶片气动阻尼降低。该结果意味着尽管IGV的引入不会明显改变压气机性能,但有可能会对其颤振特性带来明显的负面影响,需要在涡轮机设计中予以考虑。     

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.      

轴向间距对低反力度压气机性能影响的二维非定常数值研究

为进一步明晰低反力度压气机内部复杂流动机理,以低速低反力度吸附式压气机叶展中截面微元段作为研究对象,借助非定常数值模拟的方法,探讨了变轴向间距对低反力度压气机气动性能的影响。研究结果显示,轴向间距缩短后,转子受下游静子势流的作用更为明显,近尾缘区域静压波动幅度增加、尾迹亏损加剧;在静子流道输运过程中,转子尾迹呈现出明显的离散趋势且与静子吸力面附面层干涉作用加剧,这导致静子通流损失增加12.976%,整机效率降低了0.16%。     

叶片排间耦合对跨声速压气机转子颤振特性影响研究

高推重比、强紧凑性的设计要求迫使压气机相邻叶片排之间的距离进一步减小，在加剧排间非定常扰动的同时，势必对叶片的气动弹性稳定性产生影响。本文针对1.5级跨声速压气机，基于谐波平衡非定常求解技术，结合单向耦合的能量法，开展排间耦合对1.5级跨声速压气机叶片颤振特性影响研究。通过对比分析非定常/定常混合模型的颤振预测结果可以发现：排间压力波反射对振荡叶排压力脉动特性的影响是造成转子颤振特性差异的主要原因。上、下游静叶对转子气动弹性稳定性恶化程度并不相同，且不符合线性叠加原理。对于近失速工况，非定常压力波反射导致转子叶片气动阻尼系数减小75%，定常/非定常混合预测方法可能导致颤振特性预估过于乐观。     

轴流涡轮基元级静叶稠度对转静干涉的影响

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度增加时,转子的非定常势干涉在上游静子中的扰动强度增加,但衰减加快,传播范围变短;静叶稠度的改变通过引起静叶尾迹的强弱、尾迹与动叶干涉的频率和动叶通道中的流动状态的变化来改变尾迹干涉的强弱;进而通过尾迹干涉强弱的改变影响基元级性能的非定常性.      

组合压气机中尾迹与势流同频/异频干涉的叠加特性

为揭示多级压气机中上下游叶轮对中间叶片叠加气动影响特性,阐述不同叠加干涉情况下下游叶轮进气角度变化,采用数值方法模拟了一级轴流和一级离心组成的组合压气机非定常流场.详细讨论了上游动叶尾迹和下游动叶势流对中间导流叶栅段气流非定常流动的异频和同频叠加干涉特性,依据计算结果,直观地展示了静叶通道中两种干涉间相互激励和抑制作用的位置和时间,与数学公式的推导结果相互印证.研究结果表明:当上下游动叶对中间静叶段异频干涉时,干涉的激励、抑制区域的轴向位置随时间发生变化;当上下游动叶对中间静叶干涉频率相同时,干涉的相互激励、抑制区域的轴向位置不随时间发生变化,但干涉的激励、抑制区域的轴向位置受时序位置影响.另外,上游动叶尾迹与下游离心叶轮势流的不同叠加情况,决定着下游离心叶轮进口相对气流角的大小及波动幅值.     

静子尾迹对转子叶片气弹稳定性的影响

基于相位延迟方法,发展了一种可考虑前排静子尾迹对转子叶片气弹稳定性影响的能量法,并利用时间推进法对该方法进行了验证。对比分析了叶片不同模态和叶间相位角下,尾迹对转子叶片气动阻尼的影响。结果表明:尾迹对转子叶片气弹稳定性的影响显著,所发展的方法可准确、高效地对其进行模拟。与一阶扭转模态相比,尾迹对转子叶片一阶弯曲模态的气动阻尼影响更大;在不同叶间相位角下,尾迹使一阶弯曲模态的低气动阻尼进一步降低,使高气动阻尼有所增大,而对于一阶扭转模态,其影响则相反。      

不同轴向间距下涡轮级内非定常流场的数值研究

针对不同轴向间距下涡轮级内非定常流动进行了数值研究.讨论了非定常条件下轴向间距变化对非定常性及流场分布的影响,探讨了转子和静子叶片之间的非定常相干的机理.结果表明,轴向间距L对转子内流动的非定常性有着强烈的影响.随着轴向间距的减小,静叶尾迹的强度及影响范围增加,静叶尾迹对动叶的周期性非定常影响还是主要出现在前缘附近.由于静叶尾迹的恢复效应与来流尾迹强度成正比,50%轴向间距下动叶出口流场的湍动能在动叶通道中央区域最小.      

转静干涉对跨声速压气机叶片静气动弹性的影响

为了研究转静干涉对叶片静气动弹性的影响,采用时域双向流固耦合方法对1.5级跨声速压气机转子叶片在气动力和离心力共同作用下的变形过程进行了数值模拟,分析了设计工况下叶片的变形特征及其对气动性能的影响。结果表明:叶片变形明显改变通道激波位置和强度,最大绝热效率时均值较冷态叶型提高0.45%,堵塞流量增加了0.7%,气动特性线向流量增大方向偏移。气动力和离心力主要影响转子叶片轴向和周向的变形分量,转子叶片与导叶轴向间距缩短加剧了上下游叶片非定常气动干涉,转子前缘表面非定常压力波动幅值增加12.3%,周向变形使得转子前缘进口叶型角增大,上半叶高表面静压分布明显改变。高性能压气机工程设计中应该考虑叶片静气动弹性变形对气动性能的影响。     

非均匀栅距对压气机叶片非定常气动力的影响

研究了轴流压气机叶片采用非均匀栅距对叶片非定常力影响的问题,利用高分辨率格式求解准三维雷诺平均N-S方程。非定常流场计算采用了双时间步法与LU-SGS隐式解法耦合的方法。研究了带进口导叶的单级三排叶栅非定常流动,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶采用非均匀栅距。对不同结构的计算分析表明,在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式后,在保证压气机级的性能变化不大的同时,动叶表面所受非定常气动力的状况得到改善,这将有助于提高动叶片的疲劳寿命。     

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。      

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.     

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.      

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...     

叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响

为了分析叶尖间隙对压气机气动阻尼的影响,基于相位延迟边界条件,建立了跨声速转子的气动阻尼计算模型,研究叶尖间隙对其流场及气动阻尼的影响。计算该转子在设计间隙条件下的气动性能、叶片模态以及颤振边界,和实验数据吻合较好,比较不同叶尖间隙(1.6%,3.2%,5.0%叶尖弦长)的转子气动性能,发现间隙增加使转子效率和压比均有显著的下降;对叶片表面非定常压力研究表明,叶片非定常压力对叶片振动的响应具有强三维特性,同时叶片间相位角(IBPA)和叶尖间隙流对其有显著的影响,由于叶尖间隙增加使叶尖流动的影响加强,导致叶尖区域由于振动造成的一阶谐波压力幅值相对减小,大间隙趋于恶化压力面的稳定性而对吸力面的影响在不同的叶片间相位角时不同;对于气动阻尼,在不同的叶片间相位角区域,叶尖间隙对其影响有显著的差异,甚至会产生截然相反的规律,特别是在设计状态,对于该转子,大间隙提高了叶片最不稳定状态的气动阻尼。     

时序效应减小转子叶片表面非定常气动力的数值模拟

利用商用Numeca软件模拟了一个1.5级压气机中的时序效应现象,研究了导叶-静子周向相对位置变化时中间转子叶片表面非定常气动力及压力系数的变化。该1.5级压气机为南航低速压气机试验器(LSC)的简化结构,各排叶片数之比为1:1:1。为了孤立分析尾迹和势扰动的影响,还进行了导-转和转-静结构的计算。结果表明,通过调整导叶-静子的周向相对位置,可以使中间转子叶片表面非定常气动力的一阶响应幅值显著减小。     

转子叶片表面非定常气动力的构成及叠加分析

数值模拟了一个带有导叶的单级低速压气机中转子叶片表面的非定常气动力.通过研究转子叶片根部、尖部前缘和尾缘局部位置的非定常气动力,阐明了由尾迹和势扰动两种非定常性诱发的气动力在转子叶片表面的叠加特性.结果表明,上游尾迹的影响波及整个转子叶片弦长范围,而下游静子叶片势扰动仅影响转子叶片尾缘附近的脉动压力,改变上、下游叶片的时序位置,当整个转子叶片表面脉动压力的幅值比最大值减小19.4%时,其叶尖前缘脉动压力的幅值仅比最大值减小9.4%.