压气机线性振荡叶栅气弹试验研究（一）：非定常气动响应

 为了加强对叶轮机三维气动弹性机理的理解,为数值模拟方法提供试验验证数据,开展了压气机线性叶栅气动弹性试验研究。本研究分为两部分,本文为第1部分,研究压气机线性振荡叶栅的气弹稳定性,第2部分重点辨别叶尖间隙对此振荡叶栅气弹稳定性的影响。组建了线性叶栅试验台,其试验段由7个真实可控扩散叶型组成,中间叶片由凸轮机构驱动模拟三维一阶弯曲振动。使用外置压力传感器在6个叶高处测量叶片表面的定常压力分布和3个折合频率下叶片表面非定常压力分布。由管传递函数修正连接管造成的非定常信号失真。运用影响系数法构造协调叶栅任意叶片间相位角下的非定常气动响应结果。试验结果表明：非定常气动响应具有完全的三维特征;折合频率和叶片间相位角对叶栅的气动弹性稳定性具有决定性影响。     

风扇/压气机叶型厚度对颤振特性的影响

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了三维振荡叶栅非定常黏性流场;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。针对三维直叶片和风扇转子叶片,通过调整叶片的相对厚度,研究了叶片厚度变化对风扇/压气机颤振特性的影响。此外,通过对振荡叶栅非定常流场结构的研究,发现了叶片吸力面气流分离与叶片振动之间的耦合关系。本文的研究在风扇/压气机设计中,可用于评估最大相对厚度等叶型结构设计参数对气弹稳定性的影响,对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

多级压气机转子负荷系数对叶片非同步振动的影响

通过理论计算分析与试验研究，解释了核心机试验中调节叶片（VSV）异常偏关引起的转子叶片非同步振动（NSV）现象。首先对出现叶片振动的前1.5级压气机进行了全环非定常数值模拟研究。数值结果表明当第1级静叶安装角从偏关2°逐渐调节到偏关6°时，第1级转子叶片负荷逐渐增加，并出现明显的分离流动结构，该流动现象在转子叶片上产生非整数倍转频的压力脉动激励，这是典型的旋转失稳（RI）现象特征。为进一步研究旋转失稳诱发非同步振动与转子气动负荷之间的关联，在6级跨声压气机试验件上开展了系统性的计算与试验研究。通过二维通流计算评估了不同进口导叶/静叶（VIGV/VSV）角度下，第1级转子负荷随转速的变化规律。进而通过6级压气机试验，观察到当第1级静子叶片调整到偏关8°以及第1、第2静子叶片同时调整到偏关4°和偏关3.6°时，第1级转子叶片均出现了非同步振动现象。通过分析第1级转子叶片表面应变的频谱和机匣动态压力脉动的频谱，建立了二者的内在关联。明确了除叶尖径向间隙大外，可调导叶/静叶偏关同样会在转子叶尖形成高负荷，导致叶尖区域流动不稳定进而诱发叶尖旋转失稳现象。研究结果对于多级压气机的设计工作具有重要的...     

错频对叶片的气动弹性稳定性影响

采用求解动网格下的非定常可压缩Navier-Stokes方程模拟了振荡叶片下的气动弹性问题,研究了叶片的频率错频对叶片气动弹性稳定性的影响.通过数值模拟平面叶栅的气动弹性第10标准算例,验证了气动弹性的数值模拟方法,计算了不同叶片间相位角和折合频率下的气动阻尼系数,研究了叶片振动频率改变对叶片气动弹性稳定性的影响.计算结果说明:频率错频是提高气动弹性稳定性的有效方法,其主要作用是减小叶片间振动的耦合效应和叶片间相位角的影响,并且随着错频量增大叶片稳定性增强;通过模拟三维环形叶栅的气动弹性第4标准算例,计算了气动阻尼系数随错频量变化的规律,验证了错频量和气动弹性稳定性增强的规律.      

大弯角串列叶栅间隙效应数值研究

为了将串列叶栅更好地应用于高负荷核心压气机后面级,通过直列叶栅的方法,引入高度倾斜的附面层来流条件,对采用串列叶栅作为核心压气机后面级的静子进行变间隙数值模拟研究.比较低展弦比串列叶栅不同间隙、不同附面层来流条件的叶栅整体性能、尖部载荷及叶尖泄漏涡的发展情况.结果表明：随着间隙增大,叶尖区域堵塞加强,损失加大;倾斜附面层来流,低叶展总压损失得到明显改善;小间隙时叶尖产生两个间隙泄漏涡,前叶泄漏涡在叶栅通道中部消失,后叶泄漏涡在近前缘产生;随着间隙增大,泄漏涡绕卷起始点后移.     

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。     

压气机转子叶片的抑颤设计(“两机”专刊)

以一高压压气机转子叶片为对象开展了叶片抑颤工程设计方法研究,采用基于相位延迟边界条件的能量法和特征值法对原转子叶片模型的气动弹性稳定性进行评估,通过分析近失速工况下的非定常气动功密度分布,对叶片安装角沿径向分布、弦长和叶尖间隙等设计参数进行调整,以明确各参数对气动弹性稳定性的影响,最终达到提高气动阻尼的目的。研究结果表明：叶尖间隙对气动阻尼的影响较大,安装角次之,弦长影响相对较小。叶片气动阻尼随叶尖间隙的变化并非单调,而是存在一个叶尖间隙使其气动阻尼最小,即叶片气动弹性稳定性最差。减小进口气流攻角和增加折合频率,能够提高气动阻尼,设计中可以通过调节安装角来减小气流攻角,增加弦长来增大折合频率。     

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进 行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强 迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明：气弹稳定性结果 相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位 可能导致叶片掉角;对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明：叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设 计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达 134 MPa。     

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。     

多块协调变形的网格变形技术及其应用

基于多块网格协调变形的理论,提出了适用于叶轮机内流多物边界的更具一般性的网格变形技术,先获得块边界处的变形量,然后插值得到块内网格各点的变形量。通过二维振荡叶栅和带叶尖间隙的三维跨音风扇叶片的非定常绕流算例,证明网格变形技术在叶轮机气弹稳定性数值模拟中的应用是有效的,能够在保证网格高精度的条件下,提高网格变形速度。     

突加高能载荷作用下航空发动机结构动态响应及安全性综述

航空发动机在服役期间可能遭受鸟撞、叶片丢失等突加高能载荷的作用,造成发动机整机/部件动力学特性恶化和关键构件的损伤,危及发动机的结构安全性。本文从突加高能载荷复现方法与传递规律、突加高能载荷作用下转子/整机结构响应研究、突加高能载荷作用下关键构件损伤机理三个方面综述了现有研究工作,并针对近年来发展的抗突加高能载荷的安全性设计方法进行了探讨,最后分析了突加高能载荷问题的科学本质及发展趋势,为突加高能载荷作用下航空发动机安全性设计提供了重要参考。     

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.      

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...     

叶轮机械颤振稳定性的工程预测方法

通过求解雷诺平均N-S方程并采用影响系数法,对三个基本正交模态的三维振荡涡轮叶片绕流问题进行了研究。结果表明数值模拟所得非定常气动力与实验吻合较好;基于刚体运动假设和模态叠加法,得到了可用于叶轮机械设计阶段颤振稳定性评估的稳定性参数图/气动阻尼图,即所有可能的刚体运动及其相应气动阻尼的关系图;通过对稳定性参数图/气动阻尼图的分析表明,在一定情况下振型对颤振稳定性有重要影响,应将其作为颤振稳定性设计的重要参数之一。     

前行桨叶概念旋翼气动弹性响应分析

基于CFD/CSD松耦合策略,建立了前行桨叶概念（ABC）旋翼气动弹性分析方法.CFD计算中以非定常Euler/N-S方程为控制方程,通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形;桨叶结构模型通过中等变形梁理论得到;CFD和CSD数据每隔一个旋转周期交换一次.以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了分析,计算结果与试验值吻合良好.然后对旋翼振动载荷、桨尖间距、升力偏移量及桨叶载荷进行了分析,研究了前飞速度、旋翼交叉角、提前操纵角等参数对上述动力学性能的影响.该文方法具有很好的分析精度和工程适用性,分析结果可为前行桨叶概念旋翼设计提供重要参考.     

有间隙涡轮叶栅壁面流谱实验与数值模拟研究

对具有 3 .6 %相对叶顶间隙的涡轮叶栅进行了壁面流动显示和三维流场数值模拟 ,分析了大叶顶间隙涡轮叶栅的壁面流动特点 ,从数值模拟上特别对尾缘附近的壁面流动结构进行了详细讨论。实验与计算结果表明叶栅尾缘附近的流动是非常复杂的 ,同时由于叶顶间隙的存在 ,上下尾缘附近的壁面流谱明显不同