进气畸变对压缩系统稳定性影响的数值模拟

采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘－滞后－容积的压气机级模型，研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响,在一定物理转速和流量条件下的压气机稳态工作点参数则采用级堆叠方法进行计算。对总压畸变、总温畸变等进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明进气总压畸变和进气总温畸变对发动机稳定性有很大的影响，畸变进气使得压气机稳定工作边界在压所机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。     

进气畸变对发动机压缩部件气动稳定性的影响

发展了一种在发动机环境下评定航空涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的数学物理模型。压缩系统模型采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘-滞后-容积的压气机级模型，稳定性模型则采用了对整个压缩系统统一判别的方式。计算过程与发动机非设计点性能计算相关联，使得压缩系统稳定性分析在真实的发动机运行环境（调节规律）下进行。研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响。对总压畸变进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明，进气总压畸变对发动机稳定性有很大的影响，使得压气机稳定工作边界在压气机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。发展的数学物理模型可以正确地反映发动机压缩系统的工作状况，用它判断发动机不稳定工作点的重复性和灵敏度都比较好。     

Ⅰ级涡轮叶片振动特性研究

对某型发动机Ⅰ级涡轮转子叶片的振动特性进行了较深入的研究，并分析了它在发动机常用工作转速下发生共振的可能性，对该机原型叶片的振动特性和激振力特性进行了理论分析，计算中考虑了温度场和离心力的影响，使计算结果更接近实际情况；同时还做了叶片静频和振动应力分布试验。通过理论计算和试验测试结果分析表明：所用的分析方法可行有效，试验和计算结果具有一定程度的可信性。     

航空发动机转子径向振动测试技术研究

建立了航空发动机转子径向振动模型,研制了一套专门用于航空发动机转子径向振动测量的测试系统。通过获取转子叶片叶尖间隙、叶片到达时间的信息,采用离散周期信号频谱分析方法,获得发动机压气机转子径向振动数据。结果表明,随着转速的升高,转子径向振动的幅值、频率及相位角度均增大。该结果对发动机的结构设计起指导作用,为转子径向振动主动抑制技术研究提供了基础数据。     

航空发动机进气畸变诱导叶片振动的研究

介绍了进气畸变导致的叶片振动响应的一般分析方法 ,讨论了引起叶片振动响应的周向总压畸变导致的激振力谐波的计算方法 ,并结合某型发动机叶片试验结果和计算结果进行对比 ,对叶片在周向总压进气畸变条件下的振动响应进行了分析和讨论     

压气机进气畸变诱导叶片振动数值研究

介绍了一种考察进气畸变对压气机叶片振动及结构强度影响的流固耦合分析方法。对压气机进行全周数值模拟分析进气总压畸变下转子流场的非定常响应;并结合有限元模型分析叶片模态及振动响应,通过气动模型与结构模型的不断信息迭代实现叶片振动过程的模拟。分析表明,周向总压畸变会引起叶片气动力在周向分布的不均匀及叶片应力波动,导致压气机叶片振动,对其结构稳定性产生重要影响。     

畸变进气下压气机叶片非定常载荷的数值模拟

为了分析畸变进气在轴流压气机转子叶片表面产生的非定常激振力，采用二维无粘线化非定常流理论，建立了周期性气流条件下叶片表面非定常气动力的计算模型，根据实测的畸变实验数据，对某发动机的第一级叶片表面非定激振力进行了计算分析，结果表明在叶片的不同径向位置，非定常压力的分布规律不完全相似，而作用在叶片表面总的非定常气动力在叶尖部位最强。     

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。     

某发动机风扇进气畸变数值模拟

采用周向平均体积力的方法将叶片对气流的作用简化为体积力源项研究进气畸变对某航空发动机风扇的影响.分别对该风扇在均匀进气条件下和进口存在稳态总压畸变条件下的流场进行了模拟计算,得到了和雷诺平均Navier-Stockes(RANS)计算几乎完全一致的特性线以及流场主要结构特征,在进行进气畸变条件下流场模拟计算时成功地捕捉到了进口畸变扰动在流场中的传播情况,并能够正确反映进气畸变对压气机的影响.结果表明:压气机进气畸变流场有着大尺度、强耦合、信息传播三维性明显等特征,采用周向平均体积力研究方法可以利用非常少的计算资源加深对进气畸变流动的认识.      

航空发动机涡轮转子叶片-盘耦合共振特性分析

首先使用UG软件对某型航空发动机涡轮转子单个叶片和叶片-轮盘进行三维实体建模;然后应用有限元ANSYS软件计算不同边界条件下单个叶片和叶片-轮盘在典型转速下的固有频率及振动特性;最后根据计算结果绘制Campbell图,并进行频率裕度和共振特性分析。     

Experimental study of rotor blades vibration and noise in multistage high pressure compressor and their relevance

Rotor blades fault of aeroengine compressor is mostly caused by mechanical and aerodynamic excitation. And the excitation factor of high intensity sound wave to rotor blades should not be ignored. Experimental researches are conducted on a multistage high pressure compressor. When high level vibration occurs on the first stage of rotor blades, the noise spectrum presents typical characteristic for discrete multi-tone in the compressor. The amplitude of blade vibration displacement and the sound pressure level of characteristic frequency noise increases and decreases simultaneously and reaches the maximum value at the same time. This frequency merely occur on a certain speed range and is locked in a specific range which presents no variation with the rotating speed. When high level vibration occurs on the first stage of rotor blades, the noise spectrum presents a sharp peak and the propagation state of the characteristic frequency is a helix structure in the compressor. It can be confirmed that acoustic resonance occurs in the multistage compressor. The acoustic resonance frequency and its side band frequencies are generated by modulation of a rotating noise source at the rotor speed which is the excitation source of the rotor blades vibration.     

基于无转速定位信号的非接触叶片振动测试技术

介绍了在无转速定位信号情况下实现非接触叶片振动测试的方法,通常定位传感器安装干发动机转子部件内,存在传感器脱落打伤发动机的隐患。对此,开展了双光纤信号替代转速定位信号实现叶片振动测试方法的研究。运用单自由度理论分析了无转速定位的测量原理,分析了在无转速定位时对叶片振动测量误差的影响。该方法通过了模拟试验器和台架压气机试验验证。结果表明：无转速定位非接触叶片振动测试方法与转速定位方法的测试结果基本一致,为发动机工作叶片安全监视提供了更为简易的技术手段。     

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。      

进气畸变对压气机性能影响的三维彻体力模型

基于三维彻体力模型理论初步发展了一个能有效预测进气畸变下压气机性能的压气机三维稳定性分析模型(CSAC).该模型通过求解带有源项的可压三维Euler方程组,对压气机内部全环三维流场进行模拟.叶片对气流的作用力和做功源项根据压气机三维稳态Navier-Stokes(N-S)解的相关气动参数计算得到,并给出了源项与叶片进口气动参数之间的数据库关联方法.利用该模型计算和分析了NASA Rotor 37在均匀进气下的气动性能,并与三维稳态N-S计算结果对比,验证了该模型的准确性.最后利用该模型模拟了Rotor 37在稳态周向总压畸变下的性能.结果表明:总压畸变不但降低了压气机的气动性能和稳定裕度,而且在压气机转子出口诱发总温畸变,研究表明该模型在消耗较少的计算资源下正确地反映了进气畸变对压气机性能的影响,是目前分析进气畸变对压气机性能影响的有力工具.      

进气畸变与旋转失速诱导叶片振动的相关性分析

为了定量地分析进气畸变与旋转失速两种气动载荷之间以及两者单独激励下叶片位移响应之间的相关程度,基于双级低速轴流压气机试验器上进行的进气畸变试验与旋转失速试验所得的流场数据,对叶片在两者单独激励下的振动特性进行仿真计算,并从统计学的角度对变量之间的相关性进行分析.结果表明:两种流场压力数据之间相关性极高,说明两者共享的特征较多;节点位移响应之间的相关程度低于两种压力载荷之间的相关程度;同一叶型截面上节点位移响应之间的相关系数曲线大致成不对称的V字型;沿叶身截面从叶根至叶尖节点位移响应之间的相关系数逐渐降低,主要与边界条件有关.      

进口畸变条件下轴流压气机转子内流的PIV研究

用50%堵塞比的插板畸变屏模拟低速轴流压气机进口流场畸变,用PIV(粒子图像速度场仪,ParticleImageVelocimetry)技术测量均匀和畸变进气条件下压气机转子叶片通道内的流场结构。实验表明,进气畸变条件下压气机流场在转子叶片通道内不同的周向位置会产生四种不同的流动结构状态,同时,进气畸变大大增加了漩涡扰动、流动亏损和转子叶排气流分离的强度,这样必然会对压气机的性能产生很大的影响。实验也验证了经典平行压气机理论的缺陷。      

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

航空发动机压气机静子通道压力信号时频特征

进行发动机整机试验,获取了压气机第一级静子通道内的压力信号.通过时频分析,从压力信号中辨识出了以550 Hz和2200 Hz为中心的时频结构;辨识出了压气机前3级转子叶片通过频率信号及它们的一些和频、差频信号.同时,还观察到在试验发动机减速过程中,放气带打开前,压气机前3级转子的叶片通过频率信号及它们的一些和频、差频信号幅度显著增强,这表明减速过程中压气机第一级转子尖区的流动分离逐渐趋于严重.因此,监控压气机静子通道压力信号时频特征的变化,可以获得特定的压气机转子的流场信息,从而为压气机稳定性控制提供重要依据.      

45°周向压力畸变对轴流压气机影响的实验研究和机理分析

设计了一种45°周向压力畸变模拟发生器, 并在某高速轴流压气机实验台进行了实验研究.在中等转速下, 详细研究了45°周向压力畸变对该轴流压气机级的转子的性能影响, 以及整个轴流压气机级(转子进口、转子出口和静子出口)的压力周向分布.研究结果表明, 在中等转速下, 畸变区的范围在转子出口转移和扩大并不明显, 但是在静子出口扩大了近100%;在转子出口畸变强度明显增强, 而在静子出口强度衰减;与均匀进气的情况相比, 压气机转子压比提高了1.8%, 近失速点换算质量流量减小了2.5%.      

进气道内加装导流体对低压转子振动特性影响分析

对发动机进口前进气道管道内安装导流体后可能导致的压气机低压转子流动诱发振动现象进行了评估。通过定常和非定常数值模拟发现,以导流体叶片数决定的通过频率对发动机低压转子振动特性的影响较小;同时由于导流体尾迹内部脱落涡强度太低,其脱落频率也不会对发动机低压转子振动特性产生影响。计算结果表明,本算例中导流体的叶型设计和安装位置是合理的。