9_14_修改_跨音速風(fēng)扇葉尖間隙對(duì)顫振特性的影響研究

1、跨音速風(fēng)扇葉尖間隙對(duì)顫振特性的影響研究楊俊，鄭赟（北京航空航天大學(xué)，能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京，100191）摘要：為了研究跨聲速風(fēng)扇葉片葉尖間隙大小對(duì)葉片顫振特性的影響，以NASArot67轉(zhuǎn)子為例建立了單排全環(huán)流動(dòng)模型。求解定常和非定常流場(chǎng)使用使用雷諾平均NavierStokes方程（RANS），結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程的求解使用模態(tài)疊加法利用時(shí)間推進(jìn)法模擬顫振的整個(gè)非定常過(guò)程直到達(dá)到收斂條件對(duì)得到的模態(tài)位移曲線進(jìn)行擬合得到對(duì)應(yīng)狀態(tài)的氣動(dòng)阻尼值

2、。定常計(jì)算和顫振計(jì)算使用自行編制的HGFS計(jì)算程序計(jì)算，間隙范圍從0.15%span1.26%span。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，葉尖間隙的大小與氣動(dòng)阻尼為非線性關(guān)系，存在一個(gè)中間葉尖間隙使氣動(dòng)阻尼最大，氣彈穩(wěn)定性最優(yōu)。關(guān)鍵詞：葉尖間隙；泄漏渦；顫振；氣彈穩(wěn)定性中圖分類(lèi)號(hào)：V231.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0引言隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，人們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了更高的要求。一方面要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有高推重比、重量輕的特點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)得結(jié)構(gòu)更加緊湊

3、；另一方面要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有高可靠性、長(zhǎng)壽命以及低耗油率等特點(diǎn)，導(dǎo)致流體誘發(fā)的葉片振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越突出和復(fù)雜。航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片顫振是一種氣動(dòng)力引起的自激不穩(wěn)定的振動(dòng)。由于流體域作用在固體域上做正功，氣動(dòng)力做功產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)子葉片不能吸收，顫振就會(huì)發(fā)生[1][2]。而在轉(zhuǎn)子葉尖附近，以頂隙泄漏流、通道激波、葉片邊界層及其相互影響為特征，形成了復(fù)雜的非定常三維流動(dòng)[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)葉尖間隙流動(dòng)及其對(duì)顫振特性的影響做了研究，發(fā)現(xiàn)葉頂泄漏流的存在不

4、僅會(huì)使葉片表面氣動(dòng)功分布變化[4]，而且大間隙下的葉頂泄漏流也可能是顫振發(fā)生的誘因[5]。但是，目前葉尖間隙對(duì)顫振特性的影響規(guī)律還沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文將通過(guò)分析間隙變化引起的葉片表面壓力和氣動(dòng)阻尼的變化來(lái)分析間隙對(duì)顫振特性的影響規(guī)律。?1方法與模型簡(jiǎn)介流固耦合法是現(xiàn)階段對(duì)于顫振問(wèn)題分析應(yīng)用較多的一種方法。它考慮了葉片結(jié)構(gòu)變形和繞流運(yùn)動(dòng)之間的相互作用，相對(duì)于純流體域和固體域的模擬，更加符合物理實(shí)際。在流體域的求解中，本文采用自行編制的

5、程序HGAE[6][7]，其計(jì)算器HGFS使用雷諾平均NavierStokes方程（RANS）的方法來(lái)求解定常和非定常流場(chǎng)。如圖1，在每一個(gè)物理時(shí)間步內(nèi)，在流體域上求解流體控制方程來(lái)得到其作用于固體表面的壓力，從而為結(jié)構(gòu)計(jì)算提供此時(shí)刻的邊界條件。在固體域則利用模態(tài)疊加法求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，得到結(jié)構(gòu)體的變形位移。將結(jié)構(gòu)體變形后的位置作為流體域在下一時(shí)刻的邊界條件，通過(guò)網(wǎng)格變形技術(shù)對(duì)流體域網(wǎng)格進(jìn)行更新。在此基礎(chǔ)上利用時(shí)間推進(jìn)法模擬顫振的整個(gè)

6、非定常過(guò)程直到收稿日期：第一作者簡(jiǎn)介：楊?。?990），男，山西晉中人，碩士，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流和顫振研究。在流體域進(jìn)行非定常流動(dòng)求解積分葉片表面上的氣動(dòng)力求解結(jié)構(gòu)體的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算葉片變形及變形速度根據(jù)結(jié)構(gòu)體的變形位移對(duì)整個(gè)流體域網(wǎng)格進(jìn)行圖1流固耦合方法計(jì)算流程機(jī)風(fēng)扇，本文所選的部件為其風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片。為了統(tǒng)一邊界條件進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，進(jìn)口給定總溫和總壓，機(jī)匣和輪轂為無(wú)滑移壁面條件。單通道定常計(jì)算采用周期性邊界條件，出口給定輪轂

7、處?kù)o壓，得到不同間隙下轉(zhuǎn)子特性曲線。全環(huán)流固耦合計(jì)算出口設(shè)定流量邊界條件，得到不同間隙下轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)阻尼。Rot67葉片最長(zhǎng)半徑16.16cm，設(shè)計(jì)葉尖間隙為1.016mm，約為葉片半徑的0.63%（記為0.63%span）。單通道定常計(jì)算和全環(huán)流固耦合計(jì)算選取的間隙范圍是0.15%span~1.86%span。流體域網(wǎng)格和固體域網(wǎng)格如圖2。流體網(wǎng)格單通道總節(jié)點(diǎn)數(shù)約為50萬(wàn)，流道徑向?qū)訑?shù)73層，葉尖間隙徑向?qū)訑?shù)23層。固體網(wǎng)格共9498個(gè)

8、單元節(jié)點(diǎn)，單個(gè)葉片有限元模型采用六面體網(wǎng)格，各階模態(tài)位移由有限元分析軟件ANSYS計(jì)算得到。2計(jì)算結(jié)果2.1間隙泄漏流對(duì)氣動(dòng)性能的影響間隙泄漏流對(duì)氣動(dòng)性能的影響定常計(jì)算以葉尖間隙0.31%span~1.86%span結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在不同的間隙下，增壓比均隨著流量的增大而減小，最高效率減小了2.69%，減小了1.05kgs，堵塞點(diǎn)流量隨間隙變大減小。葉尖間隙的增大導(dǎo)致泄漏流動(dòng)增強(qiáng)，摻混損失變大，這是造成壓比減小，效率下降的主要原因。如圖4

9、為1mm間隙下近失速點(diǎn)的葉片表面極限流線圖。由圖可知，葉尖間隙產(chǎn)生的泄漏渦影響的區(qū)域主要在95%葉高以上，而在葉片的吸力面上，在葉片70%弦長(zhǎng)附近有一道很強(qiáng)的激波，這部分區(qū)域也是泄漏流動(dòng)最強(qiáng)的區(qū)域，泄漏流的存在必然會(huì)對(duì)激波產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，使激波附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波震蕩。圖3不同間隙下的流量效率曲線圖4葉片表面極限流線2.2葉尖間隙對(duì)葉表壓力分布的影響葉尖間隙對(duì)葉表壓力分布的影響葉片表面的壓力分布對(duì)于葉片氣動(dòng)阻尼有較大影響。由于葉尖間隙產(chǎn)生

10、的影響范圍主要集中在90%葉高以上，選取95%葉高葉片吸力面和壓力面的壓力分布，分析葉片表面激波變化和壓力波動(dòng)，可以得到氣動(dòng)阻尼變化的主要原因。圖5為95%葉高葉片表面吸力面和壓力面的壓力分布。橫坐標(biāo)為葉片沿弦長(zhǎng)方向的換算弦長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為無(wú)量綱化的靜壓。當(dāng)葉尖間隙由0.15%span增大到1.24%span，隙泄漏渦在30%弦長(zhǎng)附近開(kāi)始顯著增強(qiáng)，受到強(qiáng)泄漏流影響。通道激波位置向后移動(dòng)，吸力面和壓力面在這一區(qū)域壓力都會(huì)發(fā)生顯著的增大。激波過(guò)