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.      

叶栅流场中的气动阻尼研究

从气动阻尼产生的机理出发,建立合理的气动阻尼模型;利用动网格技术,结合等效模态气动阻尼比的计算式,以Rotor37跨声叶栅为例,用弱耦合方法数值计算得到一弯、一扭与弯扭耦合模态的气动阻尼比,并考虑流场压力水平及叶片振幅对气动阻尼的影响.计算结果表明,在保证进出口压比不变的情况下,气动阻尼与压力成线性关系;在小振幅下,气动阻尼基本与叶片振幅无关.      

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。      

基于能量法的跨声速风扇叶片气弹稳定性研究

基于能量法原理,采用弱耦合的方法对跨声速风扇叶片进行气弹稳定性分析;采用3维线性插值算法编程实现CSD/CFD数据交换。利用有限元法计算叶片的模态振型和固有振动频率;应用FLUENT动网格技术,对NASA R 67风扇叶片在不同模态振动下的非定常流场进行数值模拟,给出在前3阶模态振动下叶片表面的周期累积气动功和气动阻尼,并探讨了激波对跨声速风扇叶片气弹稳定性的影响。     

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.      

基于振动时滞法的非零叶间相位角叶片颤振

发展了一种利用叶片延迟振动设置叶间相位角的振动时滞法和多通道叶片非同相振动的流固耦合颤振分析模型。模型通道数选取相邻节径线之间通道数的两倍,在循环扇区的不同通道中,令叶片的各阶振动模态位移滞后于前一叶片,结合基于虚拟弹性体的快速动网格算法实现流场及叶片网格的高效更新。针对Rotor 37多通道模型,研究了不同叶间相位角对叶片气弹稳定性及通道流场特性的影响。结果表明:多通道方法与全环叶片颤振分析的计算结果基本一致,而18节径振动下多通道方法的计算时间是全环分析的1486%;节径振动形式对气动阻尼有显著影响,且在2节径时发生气弹失稳;叶间相位角引起流道内激波位置和强度变化和非定常激波脉动异相冲击,是影响颤振的主要原因。     

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。     

涡轮机械叶片的流固耦合数值计算方法

发展了一种流固弱耦合数值方法来判断涡轮机械叶片气弹稳定性.通过一种数据交换方法将计算结构动力学(CSD)的节点振动位移施加到计算流体力学(CFD)的叶片表面网格点上,CFD分析采用多层动网格技术实时更新可动域的网格点坐标,并通过有限体积法求解了用k-ε湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计状态下,对比了叶片前4阶模态下一个振动周期内的气动功及模态气动阻尼比,初步分析了叶片的气弹稳定性.计算结果表明:所发展的流固弱耦合数值方法用于判断涡轮机械叶片气弹稳定性是可行的.      

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.      

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

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.     

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.      

弹性变形对前掠翼气动特性的影响分析

针对弹性变形对前掠翼气动特性的影响,基于改进的CFD/CSD松耦合静气动弹性数值计算方法,在高亚声速条件下,对前掠角χ=10°,20°,30°的前掠翼纵向气动特性和副翼操纵效率进行了计算和分析。结果表明,迎角较小时,弹性翼的升力、升阻比和俯仰力矩较刚性翼大,大迎角时恰恰相反;随着前掠角的增加,机翼的弯扭变形和气动参数变化的程度愈加剧烈;在最大升阻比、迎角α=4°、副翼偏转角δ=20°时,弹性翼的副翼操纵效率略大于刚性翼。该研究可为前掠翼布局的设计提供借鉴。     

叶片弯掠对压气机静子叶片气动性能影响的三维数值模拟

运用NUMECA对某内外涵组合压气机进行数值模拟,为了减小内涵静子表面流动分离,提高其气动性能,在对其设计改型过程中,先后采用了直叶片、根部后掠和根部后掠尖部前掠三种叶型,数值模拟结果表明,弯掠叶型能减弱根尖部低能流体的堆积,抑制端壁角区的气流分离,使根尖部流动得到改善,从而提高其整体性能.此外,还考察了稠度对叶栅气动性能的影响,结果表明,合理的稠度选择,可以改善叶栅的流场结构,降低叶栅二次流损失.      

整体弹性结构法及在叶片流固耦合分析中的应用

针对三维叶片时域流固耦合振动响应计算普遍耗时的问题,采用一种假设整体结构的模态位移,求解固体时域响应和实现高效网格变形,发展了一种3维时域流固耦合分析的整体弹性结构方法,并应用于压气机叶片0°和180°相位角的气动稳定性分析中。结果表明,所发展方法的计算结果与传统双向时域算法和文献的结果较为吻合,而计算效率相比于传统算法显著提升;在所分析的两个相位角下,叶片振动的气动阻尼均随流量减小先增大后降低,相比于0°相位角,180°下叶片的气动稳定性大幅提高,表明该方法能有效应用于叶片的工程流固耦合研究。     

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。     

不同掠型扩压叶栅壁面静压分布特性研究

实验研究了不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅壁面静压分布。结果表明,前掠叶栅流道中横向压力梯度减弱,型面压力沿叶展呈反"C"型,有利于减弱角区低能流体堆积,但中径处损失将有所增加;弯掠叶片强化了上述趋势,其降低端部损失和延缓角区分离的能力更强,具有深入研究的必要。      

基于能量法的薄直齿轮自激振动预测

航空发动机中的齿轮常因振动而发生疲劳失效,分析其振动成因是必要且急需的.基于能量法,对薄直齿轮的自激振动进行了研究,提出了一种可用于预测薄直齿轮发生横向自激振动的理论方法,推导了自激力和阻尼力对齿轮振动做功的表达式,通过分析系统能量的变化,理论上确认了薄直齿轮发生自激振动的可能性,并给出了发生自激振动时的条件及载荷.通过数值模拟,分析了重合度、节径数和阻尼比对齿轮自激振动稳定性的影响.结果表明:从动齿轮后行波和主动齿轮前行波在阻尼不足时会发生自激振动而失稳,在相同条件下,低节径振型更容易发生自激振动.      

掠型设计调控跨声速离心压气机内部流动机理

跨声速离心压气机面临进口激波控制的难题,探索前缘掠型对跨声离心压气机影响机理对于进一步提升离心压气机性能具有重要意义。以两台跨声速离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟手段探究了不同前缘掠型下压气机的性能及流场变化。结果表明:设计工况下叶轮入口的激波位置直接决定了前缘掠型设计的作用效果。掠型设计通过改变导风轮叶顶载荷分布,进而影响其通流能力,同时改变了其入口激波结构和流动损失。当叶轮入口叶顶激波呈吞入状态时,采用前缘后掠会减弱槽道激波强度,从而减小导风轮叶顶附近损失;当叶轮入口叶顶激波呈脱体状态时,采用前缘前掠会减弱前缘激波强度,使得激波更加附体,从而减小导风轮叶顶附近损失。