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。      

叶片三心与颤振特性分析

本文研究了叶片三心(重心、扭心、气动力中心)对颤振特性的影响。列出了叶片特征截面上弯扭耦合动力方程,计入与位移和速度成线性函数的气动载荷,求解其方程并研究了三心与颤振特性的关系。研究结果表明,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,非定常气动力中心位于重心和扭心之间较为稳定;对于后置扭心,气动力中心位于重心和扭心之间也将失稳,最好气动力中心靠近叶片的前缘处。      

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.      

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。     

整体叶盘叶片自动化抛光颤振抑制技术

基于研制的自动化抛光系统,针对整体叶盘叶片抛光加工的颤振问题,分析了颤振后叶片表面的几何形貌。结合整体叶盘叶片自动化抛光系统,阐述了抛光颤振机理。基于颤振机理确定了编程技术优化、抛光参数优化、提高系统刚性等3种抛光颤振抑制技术,获得了优化后的刀轴方向、抛光轨迹、抛光参数及工艺填充方法。经试验验证,颤振现象,叶片波纹度、平均误差、表面粗糙度等减小,表面质量得到较大提升,颤振痕迹明显消除。     

飞机全动平尾颤振特性风洞试验

高机动飞机全动平尾颤振设计的重要手段就是颤振模型风洞试验。针对一个飞机的全动平尾,采用了单独平尾和中央固支的后机身-平尾组合体两种方案的低速颤振风洞试验,研究平尾的基本颤振耦合机理以及后机身垂尾气动力干扰的影响。然后采用半模跨声速颤振风洞试验研究马赫数对颤振特性的影响和机翼干扰对平尾颤振边界的影响。介绍了低、高速颤振模型的设计和风洞试验的结果,并综合形成了完整的平尾颤振特性规律,尤其在跨声速颤振风洞试验中,使用不同超重系数的颤振模型,研究了质量参数对颤振边界的影响规律。风洞试验结果显示,全动平尾颤振特性研究必须考虑后机身的弹性支持,并且需要使用不同的模型方案考虑机身、机翼和垂尾的气动力干扰,跨声速风洞模型需要考虑超重系数的影响。该研究获得了全动平尾颤振特性的一般规律,可作为相关飞行器设计的参考。     

翼吊发动机机翼跨声速颤振特性研究

针对现代民用飞机翼吊发动机机翼跨声速颤振问题,建立了带超临界翼型、大展弦比后掠和翼吊一个发动机构型的机翼模型,通过偶极子格网(DLM)气动力修正方法、升力线斜率系数修正方法、ZTAIC方法和高速颤振模型风洞试验方法研究了飞机翼吊发动机跨声速颤振特性。分析了马赫数和阻尼对跨声速颤振特性的影响。结果表明:翼吊发动机机翼具有三种典型颤振,即机翼弯曲扭转耦合模态颤振、机翼面内振动模态颤振和发动机与机翼耦合模态颤振;马赫数对翼吊发动机机翼跨声速颤振会产生不利影响,主要表现在跨声速区域显著降低机翼跨声速临界颤振动压;结构阻尼对机翼-发动机耦合小阻尼颤振模态的影响显著,增大阻尼可以显著提高其颤振动压。     

某全机跨声速颤振模型颤振特性仿真与试验验证

针对某全机结构相似跨声速颤振模型,进行了有限元(FEM)模型结构模态分析和偶极子网格法(DLM)法颤振计算以及CFD方法的跨声速颤振特性仿真。在FL-26风洞中完成了跨声速颤振风洞试验。通过试验结果与仿真结果的相关性分析,验证了一种全机复杂耦合的颤振形式。通过对基于N-S方程的跨声速颤振仿真程序进行评估与验证,证实在飞机非定常CFD仿真上取得了进展并且具有足够的精度。综合CFD仿真与跨声速颤振风洞试验,可以对全机复杂耦合的颤振特性进行工程颤振设计。     

非均匀叶片转子抑制颤振的理论分析

 本文应用叶片特征截面法,建立了叶片双自由度弯扭耦合动力方程,计入轮盘行波运动相位角影响,引入非定常气动力载荷,研究均匀叶片转子与具有交叉错频分布的非均匀叶片转子的稳定性。研究了非均匀叶片转子抑制颤振的机理及其影响因素。研究是借助于某发动机压气机一级叶片为计算模型。计算结果表明,非均匀叶片转子具有抑制颤振发作的效能。     

轻型飞机机翼颤振适航性研究

根据中国民用航空规章CCAR-23-R3部适航要求,对某轻型飞机的机翼建立结构有限元模型和二维升力面模型,分析机翼的固有振动和颤振特性,并利用真实机翼颤振风洞试验验证机翼的颤振稳定性。结果表明,机翼的最小理论颤振速度为115.10 ms,大于1.2 VD,且真实机翼颤振风洞试验结果表明,机翼在飞行速度范围内,不会发生颤振现象,满足CCAR-23.629适航要求。研究结果为飞机的颤振适航性验证提供了重要依据。     

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。     

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.      

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。     

叶轮机械叶片颤振的影响参数

采用基于能量法的流固耦合数值预测方法对比研究了几个主要参数对叶轮机械叶片气动弹性稳定性的影响规律,并较深入地阐述了叶片颤振发作机理.以某型发动机第一级压气机叶片为例,在叶片的不同模态下,通过给定不同的进出口边界条件分别研究了叶片模态和叶间相位角对叶轮机械气动弹性稳定性的影响,并从叶片吸力面激波以及波后分离区共同作用的角度解释了叶轮机械叶片的颤振发作机理.计算结果表明:叶片模态和叶间相位角对叶轮机械叶片的颤振有关键性的影响,而吸力面激波以及波后分离区是导致叶片颤振发作的重要因素.      

蒸汽轮机叶片失速颤振的预测

本文移植了轴流压气机叶片失速颤振预测方法中一种半经验方法——变形激盘法,从自激振动的角度分析了蒸汽轮机末级工作叶片在某些工况下动应力突增的故障。本文中计算与实测值间的定性一致表明:末级工作叶片在低负荷状态的动应力突增是由于大负攻角失速颤振所引起的。本文对设计工况附近的动应力增加提出了一种解释,在设计工况叶片可能存在一种目前尚未分类过的“高负荷非失速颤振”。      

二维叶栅气固耦合颤振分析

引入叶片结构动力学方程,通过数值求解气动/结构耦合方程体系,研究了气固耦合条件下叶栅内的二维非定常粘性流动,并初步进行了叶栅的颤振分析。针对两种叶型分别计算了不同折合频率下的流场,通过比较振动叶栅相关参数随时间变化的曲线,表明折合频率是决定叶片颤振与否的重要因素。      

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。     

Aeroelastic prediction and analysis for a transonic fan rotor with the “hot” blade shape

This paper focuses on aeroelastic prediction and analysis for a transonic fan rotor with only its “hot” (running) blade shape available, which is often the case in practical engineering such as in the design stage. Based on an in-house and well-validated CFD solver and a hybrid structural finite element modeling/modal approach, three main aspects are considered with special emphasis on dealing with the “hot” blade shape. First, static aeroelastic analysis is presented for shape transformation between “cold” (manufacturing) and “hot” blades, and influence of the dynamic variation of “hot” shape on evaluated aerodynamic performance is investigated. Second, implementation of the energy method for flutter prediction is given and both a regularly used fixed “hot” shape and a variable “hot” shape are considered. Through comparison, influence of the dynamic variation of “hot” shape on evaluated aeroelastic stability is also investigated. Third, another common way to predict flutter, time-domain method, is used for the same concerned case, from which the predicted flutter characteristics are compared with those from the energy method. A well-publicized axial-flow transonic fan rotor, Rotor 67, is selected as a typical example, and the corresponding numerical results and discussions are presented in detail.