弧齿锥齿轮波动共振条件分析

应用弹性理论和波动理论，推出旋转盘形弧齿锥齿轮波动响应的模态解，重点讨论了啮合力Ｆ对齿轮波动共振的影响。给出了弧齿锥齿轮波动共振的条件。     

基于CFD/CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算

为了研究叶轮机叶片的失速颤振特性,发展了一种计算流体力学与计算结构力学(CFD/CSD)时域耦合方法。该方法通过每一物理时刻CFD和CSD的循环迭代实现了耦合计算。在CFD分析中,采用鲁棒性较好的空间离散格式AUSM+-UP,并基于延迟脱体涡模型(DDES)模拟了带分离流动。在结构分析中,通过模态法构建了旋转叶片动力学方程并运用杂交多步方法进行求解。以孤立转子Rotor37为例,计算了不同工况下流场总体与细节参数,与实验结果的对比验证了CFD算法的精度。对某转子叶片进行了颤振特性研究,计算所得的广义位移时间响应曲线表明该叶片在近失速工况下会发生失速颤振,其表现形式为一阶弯曲模态发散且各阶模态之间不耦合。分析表明,流场不稳定和非定常效应是引起失速颤振的关键因素,同时折合频率的降低也会导致原本气动弹性稳定的叶片发生失速颤振。     

含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性分析

某型轴流式压气机性能试验过程中出现转子叶片裂纹故障.结合该型压气机结构特点,分析了振动响应的时域信号、频域信号以及高频成分出现的频率波动现象,总结了含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性.分析结果显示:含裂纹叶片的整体叶盘使得轴流压气机振动响应呈现非线性特性;振动频谱中出现共振峰分离现象,表明叶片裂纹引起轴流压气机1级转子叶盘出现结构失谐;随转速升高,两个共振峰对应频率均出现波动现象(波动周期分别约为8s和9.2s),叶片裂纹不断扩展且数量增加,整体叶盘失谐程度不断加深,整体叶盘系统出现低阶模态局部化现象.     

双向顺序耦合法求解动力响应的试验验证

为验证双向顺序耦合法求解的可信性,设计并建立一套气流激振下叶片结构的动力响应试验系统.通过平板叶片振动响应的计算与试验对比分析,验证双向顺序耦合法适用于非共振状态以及共振状态的动力响应求解,数值仿真结果可以准确地反映振动响应的时域变化规律和频域特征.计算求得的振动位移和振动应力具有较好的计算精度,相对误差在40%以内,...     

失谐叶盘系统避共振可靠度评估方法

基于振动设计理论,考虑失谐叶盘系统激振频率和模态频率的相关性,提出了1种航空发动机失谐叶盘系统避共振可靠度的计算方法。通过确定性分析和概率分析说明了失谐会增加叶盘系统避共振难度,并得到叶盘系统模态频率的概率分布特性。在此基础上,运用所提出方法,拟合得到失谐叶盘系统的避共振可靠度响应面,进而用该响应面计算不同结构谐波系数下失谐叶盘系统避共振可靠度。将计算结果与蒙特卡洛法及未考虑激振频率和模态频率相关性的传统方法的结果进行对比,验证了所提出方法在失谐叶盘系统避共振可靠性分析中的准确性。     

叶片排干涉对叶片颤振和强迫响应影响的研究

 叶片排干涉对叶片颤振和强迫振动具有显著影响,采用多叶片排三维和二维半激盘模型对此进行了研究。分析表明,叶片排干涉效应与非定常扰动的传播特征及叶片相对轴向位置有关。对稳定性问题,能量法分析结果说明叶片排干涉使叶片更易失稳,但适当调整叶片相对轴向位置有可能提高叶片气动弹性稳定性。在由相邻叶片排尾迹诱导的强迫响应问题中,主要由阵风响应流场决定叶片的气动弹性行为,在亚共振模态下,占主导作用的势流阵风响应随叶片排轴向间距减小而迅速增强,故在叶轮机设计中,叶片排轴向间距不应低于一定的安全值,以免诱导过强的阵风载荷和叶片强迫响应     

压气机失速先兆及转子多工况流场的DMD分析

对NASA Rotor 37跨声速轴流压气机级在多工况下的非定常流场进行了流固耦合数值模拟,采用动力学模态分解(DMD)方法得到了流体压力和速度的模态信息并绘制了模态云图,数值判定了压气机各工况的稳定性,获得了流动特征结构,通过模态云图发现了近失速点突尖型失速的初期表现。结果表明:在计算的多种工况中,近失速点和堵塞点均存在不稳定的模态阶次;DMD方法识别的各阶频率与压力信号频谱分析结果的最大误差为063%;随着背压上升,相邻两叶片通道内高压低速流体团位置逐渐向叶片前缘移动,范围逐渐扩展;在近失速点,尾缘回流与主流的掺混在叶片吸力面中部产生了半椭球形的旋涡并造成流道堵塞,是突尖型失速的初期表现。     

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

钛合金宽弦风扇叶片的振动特性

通过模态仿真和模态试验技术分别对某型号TC4钛合金宽弦风扇叶片的振动特性进行研究。采用ANSYS-APDL软件对风扇叶片模型进行模态仿真分析。根据风扇叶片的坎贝尔图以及不同模态的振型分布，识别风扇叶片的弯扭振型。风扇叶片不同转速不同模态下的转速裕度和频率裕度分析显示:第1阶弯曲模态在红线转速下的转速裕度和频率裕度超过20%，表明风扇叶片满足共振裕度要求。在三轴向振动台上利用扫描式激光测振仪，采用敲击法和随机带宽激励的方法测量叶片的响应，分析了风扇叶片不同模态的冲击响应特性和多轴响应特性，发现风扇叶片在周向和轴向激励下的响应以低阶弯曲模态为主，而在径向激励下的响应以扭转和复合模态为主，不同激励位置不同模态的响应特性与风扇叶片的振型息息相关。      

喘振状态下叶片振动响应的试验研究

在某单级轴流压气机试验台上,进行了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的试验研究,利用电阻应变片、动态压力传感器、滑环式引电器和磁带记录仪等,录取叶片振动应变和动叶出口压力信号,然后回放磁带,做信号处理,在对时域和频域数据分析的基础上,论述了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的特征。     

压气机三维非定常动态失速过程试验研究

 以一台双级低速轴流压气机为研究对象,采用在压气机周向、径向和轴向不同位置处布置多个动态压力传感器的方法,获取了动态失速过程中不同位置动态压力信号的变化情况,对各截面的动态总压信号分别进行了时域、频域和时频分析。研究结果表明：压气机的失速类型是单团全叶高旋转失速;失速团形成前只出现了模态波扰动;模态波式动态失速过程具有三维非定常的特征,模态波扰动和失速团首先在压气机的局部位置形成,然后沿着轴向和径向扩散至其他位置,最终占据各叶排所有叶高位置。     

低速轴流压气机旋转失速特性试验

在一台双级低速轴流压气机上进行了均匀进气时的全流量特性试验研究,重点分析了该压气机旋转失速特性随流量系数的变化情况和失速起始特性.试验结果表明,压气机在失速前出现模态波扰动,其传播频率约等于40%转子旋转频率,范围贯穿整台压气机;压气机第二级在模态波扰动诱导下率先进入旋转失速,初始失速团旋转速度为83.3%转子转速;失速团在向第一级扩散传播过程中,其旋转速度逐步降低,最后稳定在41.9%转子转速;失速团旋转频率随着流量系数的降低而减小;失速团范围随着流量系数的减小而逐渐增加.     

旋转畸变对模态波发展过程影响试验

为探究"危险频率"的物理机制,设计了旋转畸变发生器,对旋转畸变条件下两级低速轴流压气机的失速起始过程进行了试验研究.结果表明:该旋转畸变发生器在不同转速下均能输出类方波状的总压分布.旋转畸变导致压气机总静压升特性下降和稳定裕度损失,并且存在使压气机稳定裕度损失最大的畸变旋转频率.失速起始过程中模态波产生于畸变区,传播到非畸变区时会受到抑制.当畸变旋转频率等于模态波的传播频率时,模态波发展为旋转失速所需的时间最短,压气机稳定裕度损失最大.对失速起始信号的时频分析显示"危险频率"在数值上等于模态波的传播频率.     

基于模态波理论的压气机失速先兆识别方法

针对压气机气动失速预警存在无法兼顾对渐进型和突尖型失速先兆有效识别的不足，以及提取失速团幅值需要多路传感器信号的局限。分析了压气机失速发展过程中的信号特征；根据压气机失速信号的旋转特性，提出基于单路传感器信号重构周向多路失速先兆信号的方法，讨论了信号重构步长的取值；基于模态波理论，通过对重构信号进行空间傅里叶变换，得到失速扰动信号各阶模态幅值，根据低阶模态的幅值变化实现对渐进型与突尖型失速先兆的识别。以某压气机为例进行仿真，结果表明:当信号重构的步长小于突尖波时间尺度的一半时，重构的多路信号能够复现压气机周向位置失速发展过程，且步长越小，越有利于失速先兆的识别；由模态分解得到的1阶模态幅值的变化能够有效反映失速发展过程；通过合理设置模态幅值的阀值，可以在失速发展前期对失速先兆进行准确识别，从而，基于单路传感器失速信号即可实现对渐进型失速和突尖型失速均能进行预警。      

发动机静子尾流激励对叶盘结构高阶共振可激性的研究

针对航空发动机中转静干涉流场诱发的叶盘结构强迫响应问题，分析由导流叶片和动叶构成的转静干涉流场的尾流激励所激起的叶盘结构高阶共振的可能性和危险性.基于非定常转静干涉流场数值模拟结果，通过时域与空间傅里叶分析得到叶盘所受气动压力的频谱和空间波谱，同时定义投影于叶盘结构模态空间的激励（即模态力）为尾流激励的可激性，用于对叶盘结构共振响应强度的评估.研究结果表明:尾流激励对非主要共振点的可激性远远小于其对主要共振点的可激性；在发动机工作转速范围内允许那些模态位移场与激振力场的夹角较大（余角较小）的共振存在，即尾流激励可激性很小的高阶共振的存在是合理的.      

进气畸变下低速轴流压气机失速起始特性试验

为探索进气畸变对压气机失速起始特性的影响,本文以一台双级低速轴流压气机为研究对象,对均匀进气和多种进气畸变形式下的失速起始特性进行了详细研究。进气畸变包括1×90°稳态单波、2×90°稳态双波和1×90°周向旋转单波3种形式,压气机转速为600 r/min和800 r/min。试验结果表明,在均匀进气和固定进气畸变条件下该压气机均表现为模态波式失速起始特征,而在旋转畸变时观察不到失速前扰动信号。均匀进气时,失速前20～30个转子旋转周期即可观察到模态波的存在,其传播速度等于42%转子转速,并诱导产生旋转失速团,而且在失速发展过程中,失速团旋转速度保持不变。稳态进气畸变时,也是由模态波诱导产生旋转失速,但在失速团发展过程中,失速团的旋转速度会发生变化。旋转进气畸变时,失速前检测不到42%转子转速的模态波扰动,也没有发现尖脉冲扰动。     

小尺寸多级轴流压气机喘振现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,在首级转子叶顶沿弦向布置Kulite动态压力传感器以及在后面级插入高频压力探针,通过动态测量试验,研究不同转速下多级轴流压气机喘振现象.结果表明:在中高转速下,该压气机深度喘振是由模态波扰动发展成旋转失速,从而引起流动堵塞,最终导致流动崩溃所造成的;在低转速下,压气机轻度的经典喘振由模态波直接引起的,在喘振周期内一直伴随有旋转失速的产生、发展和消失.      

失速团动态演变特性试验

对一台单级低速轴流压气机进行了节流特性试验,通过周向布置动态压力传感器测得了节流过程的动态压力信号,结合时域、频域及极坐标可视化的分析方法,研究了节流过程的失速团动态演变特性.结果表明:失速先兆类型为模态波失速先兆,其传播频率约为40%转子转动频率;压气机进入失速初期349.5r时周向形成两个失速团,360r时两个失速团合并为单个失速团,压气机进入深度失速时单个失速团重新分裂并在410r时稳定为两个失速团;压气机退出失速的过程中,665r时两个失速团重新合并为单个失速团,674.5r时压气机退出失速.     

涡轮机轴流叶轮盘行波振动研究

本文对涡轮机中轴流叶轮盘的激振源 ,特别是行波振动诱发的轴向力、力的性质、对振动的影响等作了分析。指出行波振动会诱发轴向力 ,此力对压气机和涡轮盘的前行波振动起阻尼作用 ,而对后行波则是自激力。涡轮机中轮盘上经常受到沿圆周分布不均的不变力作用 ,激起驻波振动 ,振动诱发的轴向力又激起盘的自激振动 ,如无足够阻尼则导致失稳 ,造成轮盘破裂事故。不仅是共振 ,尤其是自激振动失稳是本文提出轮盘驻波振动非常危险的原因     

Aeroelastic simulation of the first 1.5-stage aeroengine fan at rotating stall

A massive parallel aeroelastic simulation platform has been built to investigate the first 1.5-stage fan of an aeroengine at rotating stall. The Computational Fluid Dynamics (CFD) solver and Computational Structural Dynamics (CSD) solver are coupled directly by non-matching mesh interfaces. The unsteady rotor/stator interaction is solved by the Sliding Mesh Interface method. The original rotor blades are shrouded by the midspan shrouds. An unshrouded fan is also created to investigate the effects of the midspan shrouds. Both the shrouded fan and unshrouded fan have stable aeroelasticity at the designed state. At rotating stall, the stalled region rotates at 30% of the rotor speed on the absolute reference frame. The energy spectrum of the rotating stalled flow is measured quantitatively. It shows that the first two order excitations are much stronger than the higher order excitations. In the flow of rotating stall, the fifth backward travelling wave mode of shrouded fan is resonated by the fifth excitation of the rotational stalled flow because the rotational speed of the stalled region coincides with the modal rotational speed, while for the unshrouded fan, the first bending mode is resonated by the second excitation of the rotational stalled flow, forming two waves in the circumference of the annulus blades. At rotating stall, the vibration of the shrouded blades is still under control but the vibration of the unshrouded blades is diverged and out of control. A novel tool, i.e., resonance map, is proposed to predict the resonance. It provides a perspective to explain the effects of midspan shrouds at a theoretical level, and it would also be helpful in the structural design of blades.