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...     

风扇/压气机叶型厚度对颤振特性的影响

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了三维振荡叶栅非定常黏性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。针对三维直叶片和风扇转子叶片,通过调整叶片的相对厚度,研究了叶片厚度变化对风扇/压气机颤振特性的影响。此外,通过对振荡叶栅非定常流场结构的研究,发现了叶片吸力面气流分离与叶片振动之间的耦合关系。本文的研究在风扇/压气机设计中,可用于评估最大相对厚度等叶型结构设计参数对气弹稳定性的影响,对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

振荡叶栅三维非定常流动数值分析

以全三维、非线性、非定常欧拉方程计算作用于振荡叶栅的非定常气动载荷。欧拉方程的数值离散采用了具有时、空二阶精度的MacCormack显式分裂的两步格式,用时间推进方法得到其数值解。应用动网格技术捕获叶片的运动,保证叶片振动过程中网格边界与叶片表面保持一致。以相移周期条件处理具有不同相位的叶片振动问题,同时发展了伪边界形状修正方法以简化周期边界条件处理。     

叶型厚度参数与压气机转子叶片颤振关联性研究

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了大负荷弯掠扭组合叶片非定常粘性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。在气动设计满足设计要求的基础上,小范围调整大负荷弯掠扭组合叶片的最大厚度分布和最大厚度相对位置分布,并分别进行颤振预估计算。结果表明,最大厚度分布和最大厚度相对位置分布对颤振影响明显。在最大厚度相对位置分布相同的情况下,均匀减薄叶片,会使一阶动频减小,积累功率增大,颤振发生的可能性增大。研究结果对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

动网格区域对叶片颤振流固耦合计算效率及精度的影

采用分区动网格对叶片进行流固耦合分析时,动网格区选取不当,会影响计算效率及精度。考虑到叶片振动主要影响叶片周围的流场,取叶片附近区域为动网格区,并通过弹性体法实时更新其内部网格。采用RANS方程描述流场,并通过SIMPLE算法求解流场得到叶片表面静压。通过直接积分法求解叶片振动控制方程得到叶片响应。通过叶片振动与流场之间的迭代求解实现流固耦合计算。采用对数衰减率评估叶片振动的稳定性,对数衰减率为0时的压比即为颤振临界压比。计算了轴流压气机叶片的颤振边界,并研究了动网格区对计算效率及精度的影响。结果表明,对于叶高为0.17m左右的轴流压气机叶片来说,取动网格区外边界到叶片的距离与叶片最大位移的比值约为2时,能够在保持计算精度的前提下,最大限度地提高计算效率,计算时间比全域动网格减少了13.4%,颤振临界压比的计算值相对全域动网格的误差为0.49%。     

动网格区域对叶片颤振流固耦合计算效率及精度的影响

采用分区动网格对叶片进行流固耦合分析时,动网格区选取不当,会影响计算效率及精度。考虑到叶片振动主要影响叶片周围的流场,取叶片附近区域为动网格区,并通过弹性体法实时更新其内部网格。采用RANS方程描述流场,并通过SIMPLE算法求解流场得到叶片表面静压。通过直接积分法求解叶片振动控制方程得到叶片响应。通过叶片振动与流场之间的迭代求解实现流固耦合计算。采用对数衰减率评估叶片振动的稳定性,对数衰减率为0时的压比即为颤振临界压比。计算了轴流压气机叶片的颤振边界,并研究了动网格区对计算效率及精度的影响。结果表明,对于叶高为0.17m左右的轴流压气机叶片来说,取动网格区外边界到叶片的距离与叶片最大位移的比值约为2时,能够在保持计算精度的前提下,最大限度地提高计算效率,计算时间比全域动网格减少了13.4%,颤振临界压比的计算值相对全域动网格的误差为0.49%。     

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.      

基于气/固耦合非定常流动的叶栅颤振分析

采用二维N-S方程／结构振动方程组耦合数值方法，分析计算了二维非定常气动力强迫振动条件下振动能量及气动力对叶栅所做的功，分别根据振动能量和气动力做功分析了叶栅的颤振特性。NACA0012和PROF叶栅在不同折合频率下气动参数随时间的变化表明，折合频率是影响叶栅颤振的重要因素。气固耦合方法得到的NA-CA0012叶栅颤振折合频率比非耦合的结果高，而对PROF叶栅则相反。这表明叶栅结构动力参数对其发生颤振时的折合频率影响很大且很复杂，要准确预测颤振应该考虑叶栅结构动力与气动力的耦合因素。     

蒸汽轮机长叶片颤振预估方法研究

本文根据叶栅实验和流场计算结果对蒸汽轮机末级流动特征进行了分析。在小容积流量工况,末级流场可分为根部脱流区、脱流区之上的主流区叶栅槽道存在附体流区和分离区。三区大小随容积流量变化。由于末级流动复杂,发展工程上实用的算法很有吸引力。实验结果和理论分析表明,在小容积流量工况容易诱发叶片自激振动。为了能预估叶片颤振,本文发展了系列变形激盘法(机时少,适于工程应用)、数值方法 (能给出叶片表面压力分布和激波振荡,有助于了解叶片颤振发作机理)。经实验证明,可以用于叶片设计阶段颤振预估。      

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.      

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。     

基于反问题设计方法的叶栅激波损失控制

为了降低跨声速叶栅通道中的激波损失,提高叶栅出口的总压恢复系数,以二维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了二维叶栅反问题设计方法,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,在保持叶片总载荷不变的同时,达到降低叶栅槽道中的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,首先运用德国宇航中心L030-4叶栅实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片载荷进行分析,并提出了一种叶片表面载荷分布参数化方法,运用该方法修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶型。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用二维反问题设计方法得到的新叶型激波强度明显降低,叶栅出口总压恢复系数以及马赫数较原型均有增加,叶栅气动性能明显提高。     

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。     

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。     

离心叶轮气动阻尼的数值分析

为进行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分析程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支撑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。通过振动叶栅和离心叶轮的算例,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。以某离心叶轮为对象,展开其模态气动阻尼比的计算分析。结果表明:考察的两个模态下气动阻尼比均为正值,小幅振动下模态气动阻尼比与振幅无关,轮盘振动模态下叶轮的气动阻尼比随工况接近失速而逐渐减小。      

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。     

叶片失调及盘片耦合对叶栅颤振边界的影响

 本文用特征值法研完了叶片频率失调及盘片耦合对叶栅颤振边界的影响。计算结果表明:失调可延迟颤振边界,在一定的失调幅度范围内,随着失调幅度的增大,颤振边界向后移;不同的失调阶次对颤振边界的影响不同,影响的大小取决于颤振时的振动阶次。此外,计及盘片耦合效应后,失调叶栅的颤振边界前移。     

大攻角范围超声压气机叶栅激波波系研究

对超声压气机叶栅的多攻角工况进行试验,利用纹影仪、油流试验及叶片表面等熵马赫数分布结果进行对比分析,观察到大攻角范围下叶栅激波波系结构发生了明显变化。为揭示激波结构变化原因,利用NUAA计算程序对叶栅进行仿真。研究发现,大攻角状态下叶栅通道中斜激波产生的原因,为前通道激波诱发附面层分离再附后,气流为沿叶片表面继续流动,从而形成斜激波;由于斜激波的增压降速,导致尾缘激波非常微弱甚至消失。     

大攻角范围超声压气机叶栅激波波系研究北大核心

对超声压气机叶栅的多攻角工况进行试验,利用纹影仪、油流试验及叶片表面等熵马赫数分布结果进行对比分析,观察到大攻角范围下叶栅激波波系结构发生了明显变化。为揭示激波结构变化原因,利用NUAA计算程序对叶栅进行仿真。研究发现,大攻角状态下叶栅通道中斜激波产生的原因,为前通道激波诱发附面层分离再附后,气流为沿叶片表面继续流动,从而形成斜激波;由于斜激波的增压降速,导致尾缘激波非常微弱甚至消失。     

二维叶栅气固耦合颤振分析

引入叶片结构动力学方程,通过数值求解气动/结构耦合方程体系,研究了气固耦合条件下叶栅内的二维非定常粘性流动,并初步进行了叶栅的颤振分析。针对两种叶型分别计算了不同折合频率下的流场,通过比较振动叶栅相关参数随时间变化的曲线,表明折合频率是决定叶片颤振与否的重要因素。