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。     

频率失谐对跨声速压气机气弹稳定性的影响

为了深入理解频率失谐对跨声速压气机气弹稳定性的影响,基于能量法建立了跨声速颤振实验转子的全周气动阻尼计算模型,数值分析了转子叶片频率交替失谐、随机失谐以及线性失谐对其气弹稳定性的影响。数值计算了该转子的气动性能,颤振边界和叶片模态,其结果和实验数据吻合较好;研究不同模态、不同叶片间相位角条件下谐调转子的气动阻尼,结果表明叶片间相位角对叶片气动阻尼均有较大的影响,尤其在一弯模态下,叶片气动阻尼对叶片间相位角最敏感;对该转子所有叶片的平均气动阻尼而言,失谐的存在弱化了叶片间相角对叶片气动阻尼的影响,显著提高了该转子最不稳定状态的平均阻尼达到7~11倍,反之使其最稳定状态的平均阻尼降低约50%;失谐转子中不同叶片的气动阻尼表现出显著差异,其受叶片局部失谐模式及失谐量的影响较大。     

压气机线性振荡叶栅气弹试验研究（二）：叶尖间隙的影响

 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2个部分,第1部分研究压气机线性振荡叶栅的气弹稳定性,本文为第2部分,重点辨别叶尖间隙对压气机叶片气弹稳定性的影响。试验结果表明随着叶尖间隙的增加,间隙流对振动叶片有失稳影响,其影响范围几乎遍及整个叶高,这与非定常气动的瞬时径向相互作用的结论是一致的。这种失稳效应与叶片间相位角对叶栅气弹稳定性的影响不耦合。间隙流在叶栅稳定性最差时影响最显著。详细的非定常压力试验结果表明,随着叶尖间隙的增加,叶片表面非定常压力幅值减小区域与间隙流造成的卸载区域相对应。由试验结果可以推断,不考虑叶尖间隙的数值模型可能会给出过稳定的叶片颤振预测。     

叶轮行波振动下的气动阻尼计算

为展开运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动模拟程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和径向叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以半开式叶轮为对象,展开其在行波振动条件下气动阻尼的计算分析。结果表明,叶轮在前、后行波振动下的气动阻尼均为正,后行波振动引起的气动推力和气动阻尼较大,叶轮表面的平均气动功率密度呈现循环对称的分布特征。     

前后掠风扇叶片颤振特性对比分析

采用基于能量法的流固耦合数值预测方法对比研究了模态、叶间相位角对前后掠风扇转子叶片气动弹性稳定性的影响.结果表明:对于两种掠形叶片,在所研究的前3阶振动模态下,前掠叶片对应于弯扭耦合振型的气动模态阻尼比最大,其数值为0.801%,而后掠叶片对应于弯扭耦合振型的气动模态阻尼比最小,其数值为0.248%;叶间相位角对两种掠形叶片气动模态阻尼比都有显著影响,在1阶振动模态相同叶间相位角(节径)下,前掠叶片前行波对应的气动模态阻尼比小于逆行波对应的气动模态阻尼比,而后掠叶片与此相反;1阶振动模态所有叶间相位角下,前掠叶片比后掠叶片气弹稳定性更好.      

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.      

相位延迟边界条件在叶轮机械颤振分析中的应用

基于带相位延迟的周期边界条件,建立了某跨声速转子的双通道高效气动阻尼计算模型.数值计算了该转子的气动性能、颤振边界和叶片模态,和实验数据吻合较好.通过传统的多通道能量法以及双通道方法计算了叶片在一弯模态,不同叶片间相位角条件下的气动阻尼,获得了基本一致的计算结果,而双通道方法相比于传统的多通道能量法计算效率提升约7.7倍,内存需求约为后者的0.45倍.不同叶片振幅对气动阻尼结果的影响研究表明,对于较小的叶片振幅,流动非线性对气动阻尼计算结果仍然有显著的影响.不同工况的计算结果表明:叶片间相位角对转子叶片的气动阻尼有显著的影响,对于该转子最小的气动阻尼均在叶片间相位角为-42.4°时得到;同时,在近颤振状态,不同叶片间相位角对应的气动阻尼均小于近设计状态.     

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.      

压气机转子错频叶盘结构振动响应分析

利用三维叶轮机械气动弹性分析软件AEAS,对某压气机转子错频叶盘结构进行了振动响应分析,比较了各计算参数、错频量对数值仿真精度和效率的影响。结果表明,谐响应分析和瞬态响应分析,可得到错频叶盘结构各叶片的瞬态位移或动应力响应,进而获得各叶片的位移放大因子。通过研究错频对叶盘结构振动响应的影响,可指导错频叶盘的结构设计,并为降低由失谐导致的航空发动机叶盘结构高循环疲劳失效提供依据。     

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。     

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.      

Aeroelastic stability of cascades in turbomachinery

State-of-the-art prediction of the aeroelastic stability of cascades in axial-flow turbomachines is reviewed. The first main chapter of the article presents a comprehensive formulation of the two- and three-dimensional classical (unstalled) flutter problem of tuned and mistuned rotor blade rows and bladed disc assemblies. Within the framework of linearized analysis, a complete and generalized theory in modal form is outlined, comprising the various formulations of the cascade flutter problem distributed in fragments throughout the literature. Brief outlines are also made of recent advances in unsteady aero-dynamic methods for turbomachinery aeroelastic applications. The second main chapter contains a parametric study of the classical flutter stability characteristics of compressor and turbine cascades in subsonic and supersonic flow. Stability boundaries and dominant trends in flutter behaviour are outlined, and the significant effects of blade mistuning on the aeroelastic stability of turbomachine bladings are highlighted.     

基于CFD技术的叶片颤振分析

采用CFD技术,引入等叶片间相位角假设,运用非耦合的能量法,研究了典型叶轮机叶片的颤振特性。采用有限体积法求解NS方程,运用SST湍流模型,通过恒定叶间相位角简化叶轮机流场,计算了NASARotor67和STCF4（the Fourth Standard Configuration）的振动叶片的流场特性。计算表明：转子67采用碳钢材料时,在效率峰值的工况下,叶片不会发生颤振;而STCF4在一阶弯曲振动中会出现不稳定;叶间相位角（IBPA）对振动叶片的气动弹性稳定性有明显的影响。     

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.      

叶间相位角对叶片颤振的影响

发展了一种基于能量法并计及叶间相位角(IBPA)影响的数值计算方法.建立了全环振荡叶栅模型,将每一个扇区分为叶片表面附近的可动域及其外围的固定域,采用有限元形函数将计算结构动力学(CSD)网格点位移的传递到计算流体动力学(CFD)的耦合面网格点上,求解了全环振荡叶栅由k-ε湍流模型封闭的Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计转速下,基于能量法分析了叶间相位角对叶片颤振的影响.计算结果表明:叶间相位角对叶片颤振有显著影响.      

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...     

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。     

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。