转静干涉流场的激励特征与叶盘结构的共振设计

在对三维非定常转静干涉流场进行计算与分析的基础上,研究了转静干涉流场对叶盘结构激励的特征,包括尾流激励中的频率成分和空间成分, 以及这些特征成分的相对大小. 在此基础上,结合叶盘结构共振条件,总结并提出了从抑制共振的角度确定静子结构周期数的设计原则,即静子结构周期数的确定应使其产生的尾流激励的频率特征中不包含叶盘结构的频率成分,以及空间分布特征中不包含对应该频率模态节径的谐波成分.给出了基于转静干涉流场特征参数估算尾流激励主要频率成分和空间成分的公式, 使这一确定静子结构周期数的原则在设计阶段可方便实施.数值分析结果对这种估算公式的合理性进行了验证.结果表明:该公式不需对转静干涉三维非定常流场进行数值模拟, 即可对静子结构周期数的合理性(是否会引起共振)做出判断.      

失谐流体激励下叶盘结构响应特性

对非均匀静子叶片分布影响下的失谐流体激励叶盘结构响应特性进行研究.首先推导叶盘结构强迫共振条件与流体失谐设计理论;其次对工程叶盘结构响应分析的模态减缩方法和精细积分法进行理论描述;最后给出数值算例,对谐调和失谐流体激励特性和实际工程叶盘的响应特性进行研究,分析流体失谐设计方法对叶盘强迫响应的影响.在响应特性计算中,通过有限元方法得到叶盘的系统质量、阻尼和刚度矩阵后,利用MATLAB软件编制程序进行响应特性分析.      

基于声模态分解的风扇叶盘同步振动辨识

采用非接触式非侵入式的测量方法实现航空发动机叶盘振动测量，对发动机研制、试验、运行安全具有重要意义。提出基于声模态分解的叶盘同步振动辨识方法，在某三级风扇试验器的进气道布置环形声阵列，作为参照并在动叶布置若干应变片，开展升降速试验。分析声压信号的叶片通过频率随转速的变化规律，对动叶一阶通过频率下的声阵列信号进行声模态分解，结合应变片实测的动叶坎贝尔图，建立主导声模态数与叶盘节径数的映射关系。声场和动应力测试结果表明：当主导声模态数与叶盘节径相等时，动叶发生共振现象，此时可有效地对风扇叶盘同步振动进行辨识；动叶与前后叶排静叶都存在转静干涉现象，声压信号呈现为窄带宽频，形成声模态离散，造成动叶表现为多模态振动；声压信号是叶片不同振动模态的气动载荷分布的综合反映，具有好的灵敏性和完备性，可实现航空发动机动叶非接触式非侵入式振动测量。     

叶盘耦合振动转/静子叶片数与节径数关系

针对航空发动机中叶盘结构的共振分析问题,通过研究气体激励力和叶盘节径型振动在转子坐标系下的数学表达形式,利用叶盘结构共振时,气体激励力需要对叶盘系统做正功的条件,推导了叶盘发生共振时,节径数与转/静子叶片数应满足的关系式dm=kNv-nNb。通过3个数值算例对上述关系式进行了阐述:从气动功和谐响应分析的角度验证了当上述关系存在时,且激励频率等于结构固有频率时,叶盘系统会发生危害共振;同时指出,当上述变量不满足上述关系时,若激励频率等于叶盘结构的固有频率,也会引起部分叶片发生较大振动的可能。      

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。     

基于非线性谐波法评估压气机转静干涉诱发的强迫响应

针对压气机转静干涉诱发的强迫响应问题,对某型风扇试验件进口可变弯度导向叶片进行流固耦合数值模拟。基于NUMECA的非线性谐波法,求解在后排转子势流作用下可调导叶的非定常流场,从而获得谐波压力,并对其作用在前排可调导叶相应模态下的强迫响应进行了计算,与试验验证结果吻合。结果表明:基于非线性谐波法的流场计算以及强迫响应分析,为工程应用建立了转静干涉诱发强迫振动响应的数值评估方法。     

复杂时变激励下失谐叶盘瞬态强迫响应分析

提出一种高效的失谐叶盘瞬态强迫响应分析方法,不同于传统的数值积分方法,该方法推导出瞬态强迫响应的解析表达式,能更为高效地预测失谐叶盘的瞬态强迫响应。首先,对叶盘的高保真有限元模型进行减缩建模,在精确地描述叶盘结构的动力学特性的前提下,极大的减少了模型的自由度数目。其次,模拟加速旋转的涡轮叶盘经过复杂流场时叶片表面上的气动载荷,并建立叶盘固有频率和振型随转速变化的数学函数;通过共振分析确定叶盘共振的转速区间并分析引起共振的激励阶次成分。最后,计算了不同旋转加速度和阻尼下叶盘的瞬态强迫响应,并对叶盘的失谐幅值放大因子进行研究。应用本办法对某86个叶片的涡轮叶盘进行了数值分析,结果表明,相同阻尼水平下,叶盘的瞬态强迫响应幅值随旋转加速度增加而降低,失谐幅值放大因子在瞬态条件下大于稳态条件下,最高可达30%。     

基于振型节径谱的失谐叶盘结构动态特性评价

基于叶盘结构振型的离散傅里叶变换,给出振型节径谱的定义。对于一个简化的叶盘结构,利用节径谱的概念对失谐叶盘的动态特性进行了评价和分析。在固有特性方面,基于节径谱改进了模态局部化因子的定义,得到了随机失谐叶盘的模态特性的统计特征;在响应特性方面,基于振型和激励节径谱的相似程度定义了模态激励因子,很好地解释了随机失谐程度的＂阈值＂效应和最优人为失谐的存在性。算例表明,节径谱是衡量的振型空间分布的重要指标,在失谐叶盘结构动态特性分析和评价中有着重要的应用。     

考虑稳态温度场的涡轮叶盘振动特性概率分析

为了研究稳态温度场及离心载荷的随机变化对涡轮叶盘振动特性的影响,利用有限元方法对稳态温度场作用下的涡轮叶盘结构振动特性进行确定性分析。在此基础上,采用含交叉项的二次响应面方法对叶盘结构振动特性进行概率分析,得到稳态温度场下叶盘结构振动特性的概率分布特征,并给出温度场及离心载荷等随机变量对叶盘结构随机性振动的模态频率的影响规律。最后,根据共振考核状态及坎贝尔图,结合转速与频率的相关性提出叶盘随机性振动避共振方法,并在几个典型工况下对叶盘结构随机性振动进行了避共振分析。结果表明,随机参数3%的变化能够导致叶盘共振转速区拓宽50%以上,并造成多个共振转速区重叠现象。     

具有半主动压电阻尼的叶盘结构动力学特性研究

针对航空发动机整体叶盘结构的失谐响应放大问题,在叶盘结构中引入半主动压电阻尼技术,并利用基于非线性模态分析的非线性系统频域响应快速算法-非线性部件模态综合(NCMS)法对具有基于负电容的同步开关阻尼(SSDNC)的叶盘结构动力学特性进行理论探究。分析结果表明NCMS法相比于Newmark法具有很高的计算效率,并能保证较高计算精度;SSDNC能够同时对叶盘结构的多阶振动模态都产生较好的抑制效果,并对多谐波激励下叶盘结构的所有振动峰值都产生较好的抑制效果(对于本文所用模型,振动峰值下降可达到73%);统计分析表明,SSDNC的振动抑制效果对叶盘结构机械失谐以及电路参数失谐均不敏感。     

压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响

首先通过引入气动影响系数,建立了振动相关气动力与系统振动位移成比例的线性模型。基于此导出了叶盘结构气弹耦合的线性振动方程。接着在叶盘结构中引入压电网络,建立了流 机 电耦合动力学方程;并采用集总参数等效模型研究了压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响,对流 机 电耦合系统的特征值问题进行求解,获得了可作为系统气弹稳定性判据的模态气动阻尼比。研究表明,压电网络可以有效改善叶盘结构主要振动形式——节径型振动的气弹稳定性;通过对压电网络中电学参数进行优化设计,可以在较宽范围内提高叶盘结构的颤振边界;压电网络对弯曲振动模态气动阻尼的改善效果优于弯扭耦合振动模态。      

科氏力对失谐叶盘振动特性的影响分析

利用有限元方法和商用软件ANSYS11.0建立考虑旋转效应的实际叶盘结构有限元模型,得到系统刚度、质量和阻尼矩阵;计算了科氏力和离心力对谐调叶盘频率特性和谐响应特性的影响规律;分析了科氏力和离心力对失谐叶盘模态局部化和响应局部化的影响。研究表明,科氏力对实际叶盘结构的频率影响明显,对失谐叶盘结构的模态局部化、响应局部化和响应分布也都会产生显著影响,在工程计算中应予以考虑。     

错频叶盘结构振动模态局部化特性分析

利用"错频失谐(Mistuning)"是进行颤振抑制的有效手段,但是否会导致较大叶盘结构振动局部化是需要进一步研究的问题.本文以典型压气机叶盘结构为例,通过引入实际的两种错频失谐方案,分析研究了谐调和"错频失谐"情况下叶盘结构振动模态特性和模态局部化性质.研究表明,"错频失谐"会引起显著的振动局部化,因此实际叶盘失谐设计中需要综合考虑颤振抑制和失谐振动局部化两方面.      

小失谐对整体叶盘结构动态特性的影响

基于失谐叶盘频差提出了小失谐的概念,总结了其在实际工程叶盘中的表现形式。以扇区3自由度集中参数叶盘模型为对象,系统研究小失谐对不同模态族的模态局部化和响应幅值放大的影响。研究表明:小失谐在模态族最高节径处同样会造成严重的振动局部化现象。当失谐强度为0.001时,模态局部化因子达到17;当失谐强度为0.007时,响应幅值放大可达1.8。小失谐对叶盘结构动态特性的影响显著,在设计和使用中应予以重视。      

一种基于叶盘结构几何失谐的降阶分析方法

叶片几何失谐严重影响叶盘结构的振动特性。为了准确且高效地对存在叶片几何失谐的叶盘结构进行振动分析,基于扇区建模方法,由动力学方程推导出降阶模型的表达式,利用该降阶方法对整个几何失谐叶盘结构分别进行模态分析和受迫响应分析,并与有限元方法进行固有频率和受迫响应结果的对比。结果表明:该降阶方法得到的结果与有限元方法得到的结果基本一致,验证了该方法的有效性和实用性。     

气动非谐对叶片非定常气动激振力影响

为降低转子叶片在前排静子叶片尾流激振情况下的共振应力, 提高转子叶片疲劳寿命, 对静子叶片的气动非谐设计进行研究.对静子叶片的气动非谐设计考虑了两种方案, 一种为非均匀叶栅设计, 另一种为不对称叶栅设计.通过对静子-转子模型流场进行非定常计算, 比较了两种非谐设计思想下转子叶片表面气动激振力频谱成分和幅值大小.分析结果标明:非均匀叶栅非谐设计并不能降低转子叶片表面激振力, 同时会引起频率成分和幅值都较大的倍频成分;不对称叶栅非谐设计虽然会引起与转速同频的较大幅值激振力成分, 但从整体考虑可有效降低叶片振动应力.