The effects of unsteady interactions on blade flutter

THE stall flutter of steam turbine long blade influences the operation safety of the large steamturbine.Some basic assumptions have been used in steam turbine flutter study,including theassumption that the interblade phase angle distribution along the blade row is constant.Thisassumption simplifies the computation of unsteady flow around oscillating cascade,because

参数耦合下风力发电机叶片机械颤振检测研究

受气候、风速等因素影响,会使风力发电机叶片的运行条件发生较大变化,增加了颤振检测的难度。为此,该文提出参数耦合下风力发电机叶片机械颤振检测方法。建立风力发电机叶片结构模型,推导结构动力学方程,并利用优化后的参数耦合算法对其求解,获取非稳态气动载荷,通过动力学模型反馈得到叶片的结构响应和振动情况;构建非稳态气动降阶模型,采用能量法分析叶片的结构响应与气动载荷的时域或频域,计算能量交换角度,确定叶片的颤振程度,实现颤振检测。实验结果表明,该方法气动阻尼系数计算结果准确、检测正确率高、计算时间短。

超临界汽轮机低压转子0Cr17Ni4Cu4Nb钢叶片断裂原因

某超临界汽轮机低压转子次末级0Cr17Ni4Cu4Nb钢叶片发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜及能谱分析、金相检验、硬度测试等方法分析了叶片断裂的原因。结果表明:在灵活性运行工况下,机组承受的载荷频繁发生变化,造成低压缸进汽量和汽流频繁大幅波动,导致长叶型的次末级叶片在运行过程中发生颤振;次末级叶片的叶根尺寸与叶根槽不匹配,使叶根松动、叶片晃动,加剧了叶片的颤振;在两种因素共同作用下,机组出汽侧近叶根的应力集中区域萌生了裂纹,在叶片颤振产生的交变应力作用下,裂纹以疲劳的形式不断扩展,最终导致叶片整体断裂。

火电机组低负荷运行对末叶片可靠性的影响

在双碳目标下,为了配合新能源的发展,火电机组的调峰能力得到了前所未有的关注。结合电力需求增速放缓的现状,火电机组将较长时间运行在低负荷工况下。本文选取某660 MW空冷机型末三级级段进行了多个低负荷工况下的CFD分析,获得了负荷下降过程中末级流场的变化特征,并分析了相关变化对末叶片可靠性的影响,介绍了相关的解决措施。

基于力矩传递模型的风力机叶片颤振抑制方法

针对永磁直驱水平轴风力机叶片颤振现象,建立叶片-传动轴-电机旋转平面内的振动力矩传递模型,计算叶片侧扰动力矩以及归算到电机侧的扰动力矩,并通过控制电机转矩,在电磁转矩上叠加一个与该侧扰动力矩大小相等、方向相反的控制力矩,使其通过力矩传递模型抑制叶片颤振,同时对引起轴系谐振的电机转矩成分进行陷波滤波处理,以此抑制轴系谐振。最后通过仿真和实验验证上述方法的有效性。

弯扭耦合长柔叶片颤振速度分析

针对弯扭耦合叶片的颤振速度进行研究,提出基于FAST_v8结合非线性几何精确梁理论评估叶片颤振速度的分析方法,基于典型截面失稳机理验证该分析方法的准确性。以某80.74 m叶片为研究对象,分析空气密度、叶片重心弦向位置、扭转频率、挥舞频率等参数变化对颤振速度的影响。结果表明,该80.47 m叶片颤振速度随空气密度增大而减小;质心前移可有效抑制经典颤振;提高扭转频率可提升叶片的稳定性;挥舞频率位于0.2~0.4 Hz之间时较合适。

风轮不平衡载荷下超大型风电机组叶片颤振极限研究

以IEA Wind 15 MW参考风电机组为研究对象,基于非线性时域气弹耦合分析工具,研究风剪切、偏航入流、质量不平衡3种不平衡载荷单一或共同作用时,超大型风电机组叶片的颤振极限。结果表明,单一不平衡载荷作用时,风剪切和±15°以内的偏航角会增大临界颤振速度,而质量不平衡会降低临界颤振速度,且质量偏重时颤振速度下降更加明显。3种不平衡载荷共同作用时,临界颤振速度的最大值和最小值都出现在剪切系数为0.3时;最大值总是在偏航角为非负值时取得,最小值在偏航角为-20°时取得;质量不平衡对临界颤振速度的影响与其单一作用时的规律一致。因此,在进行气弹稳定性分析时,应考虑多种风轮不平衡载荷共同作用,尤其是叶片质量偏重和偏航角度为-20°时这种最不利的情况。

风力机叶片预弯状态颤振效应分析

风力机叶片预弯设计大多采用静气弹分析方法,忽略了叶片气动力、惯性力和弹性力三者相互作用而引发的气弹耦合失稳问题,而预弯对百米量级超长柔性叶片的颤振性能影响尤为显著。为对比分析不同预弯尺寸对叶片颤振临界状态的影响,基于主梁刚度等效原则进行叶片气弹模型设计,通过风洞试验发现了15 MW两种预弯叶片颤振区间及其临界风速的差异;进一步基于修正的叶素动量理论和几何精确梁理论(Blade Element Momentum Theory-Geometrically Exact Beam Theory,BEM-GEBT)耦合计算方法对4种预弯叶片进行分析,对比了不同预弯尺寸叶片的颤振临界风速、气动力分布和位移频谱特性,并揭示了颤振耦合模态机理。研究表明:BEM-GEBT耦合计算方法结果与风洞试验结果吻合较好;随着预弯尺寸的增大,挥舞-摆振耦合颤振临界风速提高,颤振区间范围基本一致;不同预弯尺寸叶片升力系数和俯仰力矩系数发散速率与位移发散速率呈正相关,平均风压曲线在预弯3~4 m范围内出现显著变化,挥舞-摆振耦合效应大于挥舞-扭转耦合效应,其颤振耦合频率由一阶挥舞频率主导。

某核电汽轮机低压末级长叶片颤振风险分析

从气动弹性稳定性问题角度出发,基于能量法判据,对核电汽轮机末级长叶片进行气动瞬态分析,主要考虑叶片在一个振动周期内气流对叶片所做的气动功与机械阻尼之间的平衡状态,利用总阻尼系数判断叶片的颤振风险,为研制更加安全、高效的末级叶片提供了重要理论依据。

基于能量法判据的压气机叶片颤振风险分析

叶片颤振属于气动弹性稳定性问题,是压气机叶片在设计过程的必要环节,文章以某轴流压气机叶片为分析对象,采用能量法判据进行了叶片瞬态气动分析,得到在一个振动周期内气流对叶片所做的功,根据气流对叶片做功的正负,判断叶片的颤振风险,为压气机叶片的安全运行提供了重要理论依据.

某压气机叶片强度、振动特性及颤振分析

基于有限元方法对某轴流压气机叶片进行了数值分析,采用流固耦合方法计算了叶片的气动压力载荷和气流激振力,确保了叶片强度与振动分析结果的精确性。采用能量法研究了叶片在一个振动周期内结构与流场之间的气弹稳定性,分析了叶片在不同运行工况下的颤振风险。本次分析综合评估了叶片的运行安全性,可为后续叶片的安全运行提供重要的依据。

基于气弹试验15MW超长柔性叶片颤振临界风速预测的叶根反力法

颤振是风力机叶片超大化发展必须解决的首要难题,气弹模型测振风洞试验是其最有效的预测方法之一,但传统方法无法精确解决模型相似比和测量精度的难题。本文提出一种基于主梁刚度等效原则的超长柔性叶片气动/刚度映射一体化三维完全气弹模型设计方法,采用高速摄像技术和高频六分量天平进行全风向角同步测振和测力风洞试验;系统研究了NREL‑15 MW超长柔性叶片的非线性动态响应频谱特性,对比分析了基于叶尖位移与叶根反力的风力机叶片颤振性能和临界失稳状态,发现了采用叶根反力来预测颤振性能的可行性,提出了超长柔性叶片颤振失稳预测的叶根反力法。研究表明:本文提出的气弹模型设计和实验方法能精确有效地模拟风力机叶片动力性能与颤振行为,试验发现超长柔性叶片在桨距角为93°~96°和284°~287°区间内发生颤振,颤振区间内颤振临界风速随桨距角的增大呈现先减小后增大的趋势,在桨距角为94°时达到最小,其风洞临界风速为5.4 m/s;叶根反力与叶尖位移存在一致发散性和强相关性,提出的叶根反力颤振指标δ≥2%时,风力机叶片进入颤振临界状态。

弯扭耦合对风力机叶片气弹模态特性的影响

弯扭耦合对风力机叶片气动弹性响应有重要影响。为研究弯扭耦合对风力机叶片气弹模态特性的影响,采用几何精确梁理论和叶素动量定理,建立风力机叶片的气弹耦合方程,在Beddoes-Leishman动态失速模型的基础上对气弹耦合方程线性化,构建特征平衡方程。由复特征值分析法计算DTU 10MW叶片的气弹频率和气弹阻尼比。通过在截面刚度矩阵中引入耦合系数,考虑弯扭耦合对气弹模态的影响。挥舞顺桨耦合会增加挥舞模态气弹频率,降低挥舞模态气弹阻尼比。挥舞失速耦合会降低挥舞模态气弹频率,增大挥舞模态气弹阻尼比。挥舞顺桨耦合会降低风力机叶片的颤振风速。

大型风力机叶片气弹颤振特性分析

随着风力机叶片尺寸和柔性的增加,风力机面临的气弹稳定性问题越发突出。为分析大型风力机叶片的气弹颤振特性,考虑转动叶片大变形引起的结构非线性效应,采用非线性几何精确梁理论,建立结构动力学模型;为描述叶片振动导致的非定常气动效应,采用叶素动量理论,并结合B-L(Beddoes-Leishman)动态失速模型,建立风力机叶片的气动载荷模型;而后采用弱形式的求积元方法,高效构建叶片的气弹耦合动力学离散平衡方程;再基于变分原理,线性化气弹耦合动力学方程,由复特征值分析法,计算叶片的气弹频率和气弹阻尼比,辨识叶片气弹颤振区域。以DTU-10MW风力机为研究对象,分析了风力机叶片在工作运行状态和定叶尖速比下的颤振特性。分析结果表明,该风力机叶片在转速1.77 rad/s时,会产生颤振失稳现象。

F级燃气轮机透平末级动叶颤振特性分析

介绍了一种燃气轮机透平叶片颤振分析的方法,以F级燃气轮机透平末级动叶为研究对象,采用该方法分析了其在设计工况以及全速空载2个典型工况下的颤振特性,同时考虑了叶片表面金属涂层以及阻尼结构对颤振特性的影响。研究结果表明,该型透平叶片的气动阻尼值为正,叶片无颤振风险。涂层及阻尼结构对提高最小气动阻尼有积极作用,可以改善叶片颤振特性。研究成果可为透平末级动叶进一步优化时的安全性评估提供参考。

激波对跨声速风扇叶片颤振特性的影响

为了研究激波对叶片气动弹性稳定性的影响,基于谐波平衡计算方法,结合结构动力学分析,采用单向耦合方式下的能量法对跨声速风扇的颤振特性进行了数值研究。计算结果表明:设计点工况下,二阶弯曲模态时叶片的最小气动阻尼系数小于0,数值为-0.338%,意味着叶片存在失稳风险;此外,100%等转速线不同工况下叶片的颤振特性不尽相同,激波位置变化对气流做功的影响是导致叶片气动弹性稳定性差异的主要诱因。

叶轮机械颤振稳定性的工程预测方法

通过求解雷诺平均N-S方程并采用影响系数法,对三个基本正交模态的三维振荡涡轮叶片绕流问题进行了研究。结果表明数值模拟所得非定常气动力与实验吻合较好;基于刚体运动假设和模态叠加法,得到了可用于叶轮机械设计阶段颤振稳定性评估的稳定性参数图/气动阻尼图,即所有可能的刚体运动及其相应气动阻尼的关系图;通过对稳定性参数图/气动阻尼图的分析表明,在一定情况下振型对颤振稳定性有重要影响,应将其作为颤振稳定性设计的重要参数之一。

高低空环境下压气机叶片颤振特性研究

为了揭示高低空环境对压气机气动弹性稳定性的影响机理,采用谐波平衡技术和能量法对叶片在不同工作高度下的颤振特性进行了数值研究。结果表明:近失速二阶模态下叶片在地面和高空于不同的波节数1和2时达到最小气动阻尼状态;近失速前两阶模态下高低空叶片的气动阻尼系数(Log Dec)最小值分别为0.5460%,0.4521%和0.3460%,0.2168%,但叶尖处地面的当地Log Dec小于高空值;对于近失速一阶模态,叶片尖部的非定常压力脉动随着工作高度的变化呈现出不同的时空形态,从而导致当地积累功存在较大差异。

跨音速风扇全环叶片颤振特性的流固耦合分析

发展了求解叶片颤振问题的流固耦合计算方法和全环叶片振动的气动弹性模型,在每一时间步同步求解流体运动方程和叶片振动方程并交换边界信息;流体域求解了非定常雷诺平均N-S方程,得到每一步由于叶片变形而引起的流场变化;叶片变形则由积分叶片表面受到的气动力并求解结构动力学方程得到.颤振分析是在全环叶片模型上进行的,并解除了预先设定叶片间相位角的限制.此方法的显著特征是在一次气动弹性计算过程中,可同时分析叶片多个固有模态、多个节径下的气动弹性稳定性,大大提高了使用时域法进行叶片排气弹分析的计算效率.考察了NASA rotor 67风扇全环模型在堵塞点、最高效率点和近喘点3个气动工况下,节径变化对叶片气动弹性稳定性的影响,给出了不同模态下气弹最不稳定状态对应的叶片振动节径形式.结果表明,振动形式对于叶片气动弹性稳定性的影响很大.

风力机叶片阻尼抑颤特性分析

基于"典型剖面"建立风力机叶片二维翼型的颤振方程,根据定常气动理论推导出气动阻尼和气动刚度。为提高叶片的抗振能力,提出向叶片添加阻尼材料来增加叶片结构阻尼的方案,并建立该方案的力学模型。对某国产600 k W风力机叶片的气动特性及阻尼抑颤特性进行数值仿真实验。仿真结果显示,阻尼结构叶片较普通叶片x向颤振最大位移、最大速度分别降低28.2%、34.8%;θ向最大速度降低了17.0%。研究结果可为风力机叶片设计提供参考。