高负荷跨声速压气机动静叶干扰下叶片气动负荷研究

通过数值方法模拟了某型高负荷跨声速压气机在工作点的非定常流场,对级内动静叶的气动干扰进行了深入分析。通过气动力和力矩的变化对动静叶干扰下的叶片非定常气动负荷进行了详细的分析,研究了尾迹和势流干扰下叶片气动负荷的变化规律,结合频谱分析进一步认识了气动负荷各周期分量,研究结果有助于对高负荷压气机内动静叶非定常气动干扰的认识。

弯掠动叶对跨声压气机非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况采用弯掠动叶前、后的非定常流场进行了数值模拟,深入分析了动叶弯掠对压气机叶片非定常气动负荷的影响。结果表明:动叶弯掠后,动、静叶的气动力和气动力矩时均值由于叶片负荷大小及分布的不同变化而产生不同程度的改变;由于动叶对下游静叶的尾迹和二次流干扰远强于动叶所受到的下游静叶的势流干扰,静叶的气动负荷发生较大波动;弯掠动叶减轻了端壁损失并且减弱了顶部泄漏涡强度和根部角区分离,从而减弱了对下游静叶的非定常干扰,这使得静叶各气动参数的波动幅值显著降低。

旋翼桨叶非定常挥舞运动的分析计算方法

从旋翼桨叶的实际气动环境出发导出了桨叶的非定常挥舞运动方程，其中考虑了影响旋翼桨叶非定常挥舞运动的各种因素，包括旋翼入流的时滞效应及前行桨叶的压缩性和后行桨叶的失速特性。给出了计算桨叶非定常挥舞运动的递推公式，并进而描述了雄翼的整体挥舞运动。最后以某型直升机为例，计算了直升机悬停及前飞中施加变距操纵后族双桨叶挥舞运动响应的过渡过程。结果表明：用本文所述方法能合理地计算旋翼桨叶挥舞运动的非定常过渡过程，而且其最终稳态值与经典桨盘平面方法得到的结果相同。本方法尤其适合于直升机机动飞行的分析计算。

倾转旋翼航空器建模方法研究

结合倾转旋翼航空器的整体气动结构设计,建立了该型航空器的数学模型。在考虑旋翼滑流的情况下,给出各气动面的气动力和力矩方程,并采用叶素法,建立了旋翼的气动力方程。该数学模型可为倾转旋翼航空器的控制系统设计与仿真提供参考。

气动力作用下旋转叶片的动力特性研究

气固耦合振动是叶片振动的影响因素之一,为了了解旋转机械中叶片在气流作用下的动力特性,使用CFX和ANSYS分别求解流场和结构响应.探讨了叶片在气流激励下的耦合计算方法,将旋转叶片与气流作为一个系统进行气流场与固体弹性结构的瞬态动态响应计算.建立了一个旋转叶片流道模型,对气流场进行全场三维非定常瞬态求解,将非定常气动载荷引入旋转叶片有限元结构计算中,得到叶片在不同转速下的强迫响应,并对其响应位移变化进行分析比较.结果显示在非定常条件下,叶片的不稳定范围位于固有频率附近.此研究为工程上对旋转叶片的动力响应预估和研究提供了一个可行的方法.

水平轴风力机叶片非定常气动特性分析

针对水平轴风力机叶片的非定常气动特性,采用状态空间描述的、改进的B-L动态失速模型进行风力机翼型非定常气动力分析.模型采用不可压缩假设并忽略了前缘流动分离所产生的非定常效应,考虑气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应以揭示翼型在任意运动中的非定常气动力.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中2个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另2个用于描述后缘分离效应,得到了风力机翼型非定常气动升力、阻力和力矩状态变量表达式及计算流程.通过对NACA0012风力机翼型的非定常气动力分析表明,模型能较好地描述风力机翼型的动态特性.

多级压气机动叶片时序效应数值研究

对某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场进行了非定常数值模拟,研究第二级动叶时序(CLOCKING)效应对中间级各列叶片气动负荷的影响。计算过程采用基于谐函数(Harmonic)的频域变化方法对全三维Navier-Stokes(N-S)方程进行求解。通过对各列叶片非定常气动负荷进行时域和频域分析,指出转子叶片中间级动叶R2处于不同的CLOCKING位置时,会引起R2叶片本身以及下游中间级静叶S2气流激振力显著变化。在CLK0(各列动叶片在周向上安装位置相同)位置,中间级静叶片在部分时刻内受力与常规方向相反,且气动力和力矩波动幅度最大。在CLK2(动叶片在周向上错开1/2节距安装)位置上,R2叶片和S2叶片气动负荷的稳定性都得到改善。静叶S2气动力、气动力矩波动幅值明显较其他位置小,且方向的改变次数也较小。同时,S2对其上下游动叶一倍通过频率的响应也最小,因此具有比较稳定的气动负荷。

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明:气弹稳定性结果相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位可能导致叶片掉角, 对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明:叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达134 MPa。

静叶尾迹对压气机动叶非定常气动载荷的影响

以某型航空发动机压气机转子系统为研究对象,建立了单级叶盘的三维结构及流场模型。通过对滑移网格(sliding mesh,简称SM)方法与运动坐标系(moving reference frame,简称MRF)方法在计算耗时和收敛性方面的比较,证明了运动坐标系方法的准确性和高效性。考虑前一级静叶尾迹的影响,求解压气机内部在不同时刻的流动特性,得到静叶尾迹对动叶流场的非定常干扰情况。经过对压气机叶顶和轮毂、动叶压力面和吸力面非定常气动载荷的分析发现:在动叶流场的前缘形成了较主流区压力和速度较低的不均匀流场,且在动叶前缘叶顶位置受到的气动载荷最为显著;动叶压力面和吸力面气动载荷的分布规律相反,从叶顶至轮毂、前缘至尾缘,压力面非定常气动载荷的大小和波动幅度逐步递减,而吸力面却与其相反,呈现出逐步递增的趋势。该研究为某型航空发动机压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。

轴流压气机转静二维非定常薄层N-S数值模拟

采用非定常薄层Navier Stokes紊流运动方程来描述一跨声轴流压气机中径处的二维转 静非定常流场 ,速度脉动的相关分析表明转子尾迹对静子的势流流场几乎没有什么影响 ,而粘性的影响取决于叶片排之间的轴向距离。

近地飞行时旋翼的气动力及桨叶挥舞运动

基于对旋翼近地飞行时流场的Ｎ－Ｓ方程计算，计算并讨论了近地飞行时，旋翼拉力、扭矩系数及桨叶挥舞角随前进比、离地高度的变化情况。结果表明，在地面涡出现的飞行条件下，与无地面效应的情形相比，旋翼拉力和侧倾角有显著变化。

叶片数约化对叶轮机非定常气动特性影响的研究

通过求解三维非定常N-S方程模拟叶轮机械内部流场。采用有限体积中心差分和四步龙格库塔时间推进格式,并且使用了双时间方法对计算加速。对一级跨音速风扇静叶选取不同的叶片数方案进行非定常流场和性能数值模拟。对于不同的叶片数,叶片几何截面按比例缩放以保证各方案叶片稠度不变。计算结果给出了风扇级的性能、叶片气动载荷和非定常气动力等参数。叶片数目选择影响到非定常效率波动的幅值大小。通过对非定常气动力力的频谱分析得出,不同的叶片数目对非定常气动力的前两阶幅值造成明显的影响。

非均匀栅距对轴流压气机流动影响的数值研究

本文进行了非均匀栅距叶片排的轴流式压气机流场数值研究,进口导叶采用了不同的非均匀栅距结构,探讨了不同工作状态下对压气机性能及动叶非定常气动力的影响。数值研究中采用LU-SGS隐式解法与双时间方法相结合,求解圆柱面二维流动的雷诺平均非定常N-S方程。数值研究的结果表明,进口导叶非均匀栅距结构对压气机气动性能影响不大,但对动叶表面受到的非定常气动力有一定影响。采用不同的非均匀栅距进口导流叶片排结构型式,动叶表面的非定常气动力的分布是不同的。不同工作状态下的计算结果显示,即使采用相同的非均匀栅距结构,非定常气动力的分布特性也是不相同的。

基于转静干涉效应的压气机叶片气动载荷分析

转静叶排的相互作用会使压气机内部流场存在复杂的非定常性。为深入研究压气机叶片的气动载荷特性,以某型航空发动机压气机为研究对象,考虑叶排间的转静干涉效应,利用滑移网格技术对整个叶盘的三维流场展开模拟,求解干涉周期Tb内压气机转子内部的流动规律。同时对叶片气动载荷的非定常特性进行进一步分析,讨论了不同压比、转速对压气机叶片气动载荷的影响。结果表明叶片压力面和吸力面气动载荷波动峰值的主导频率皆为转静干涉频率f0的倍频,其中一倍频(1×f0)分量占主导地位。在干涉周期Tb内,叶片表面压力涡发生周期性的迁移与耗散,压力面和吸力面气动载荷的变化呈相反趋势。随着压比的增加,压气机叶片气动载荷逐渐增大,但其脉动幅值和频谱峰值基本不变。转速的升高使得转静干涉的频率增大,增强了压气机叶片气动载荷的非定常特性。研究结果能够应用于叶盘结构的气动优化设计,可为高性能航空发动机压气机的研制提供支持和参考。

转静轴向间距对压气机静子叶片气流激励的影响

为考查转静轴向间距对跨声速压气机静子叶片气流激励的影响,采用非定常数值方法模拟了3.5级跨声速压气机的三维非定常流场。通过叶片表面非定常压力频域分析,建立了静子叶片气流激励源与上、下游叶片通过频率的关系,分析了不同转静轴向间距下静子叶片表面气流激励的变化规律。结果表明:静子叶片表面非定常气流激励频率为上、下游转子叶片的通过频率及其倍频,且主导激励源为下游转子;随着转静轴向间距增加,下游转子对上游静子的气流激励强度明显减弱。存在一个最佳转静轴向间距,既能保证压气机级效率处于较高水平,同时又能使压气机静子叶片气流激励相对较小。

导叶角度异常偏开对下游转子叶片气流激励的影响

采用k-ωSST湍流模型对两级跨声速压气机全环非定常流场进行数值模拟,研究进口导叶1片叶片异常偏开20°对压气机气动特性和下游转子叶片气流激励的影响。结果表明:进口导叶1片叶片异常偏开20°导致压气机气动特性线向左发生一定偏移,最大效率降低0.3%,堵塞流量降低0.1%;流场恶化使得下游转子叶片气动载荷急剧增大,分离流传播过程中产生的高振幅宽频气流激励频率增加了下游转子叶片共振风险。工程实际中应避免压气机导叶角度异常偏开。

动叶约化中心位置对涡轮非定常气动计算的影响

为掌握动叶约化中心位置对涡轮内部流动非定常计算结果的影响,对动叶前缘约化、动叶几何中心约化和不约化3个算例进行了非定常计算与对比分析。结果表明,动叶通道的平整性,使得2种动叶约化方式对涡轮性能与气动参数的时均值计算结果的影响量级均不超过0.50%。2种约化方式对转静轴向间距及动叶位置造成影响,从而影响到动叶通道中二次流与静叶尾迹在动叶通道中的耗散。动叶中心约化时动叶进口的上下端壁二次流最强。不约化时动叶通道中的上游尾迹强度最强,动叶前缘约化时次之,动叶中心约化时最弱。2种动叶约化方式对涡轮非定常气动计算结果的影响均较小,其中前缘约化方式的影响更小。非定常计算时2种约化方式都可选用,且优先选用前缘约化方式。

转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统的叶尖振动特性

航空发动机叶片在极端恶劣环境中工作,容易产生裂纹进而缩短叶片寿命,严重影响航空发动机的安全运行。以转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统为研究对象,采用有限元、假设模态混合的建模策略,利用有限元模拟转轴,基于Kirch⁃hoff板理论、Timoshenko梁理论模拟轮盘、旋转叶片,并根据时变的释放应变能确定呼吸裂纹导致的时变损失刚度,建立了相应的动力学模型;通过对比耦合系统的固有特性和振动响应验证了提出方法的正确性;剖析了重力载荷、转子不平衡力、气动载荷对叶尖振动特性的影响,并研究了不同无量纲裂纹深度和裂纹位置对叶尖振动特性的影响。研究结果表明:健康叶片中,重力载荷会导致叶片产生振动,转子不平衡力会导致叶片发生静变形;在旋转状态下,裂纹叶片导致叶尖弯曲位移产生偏移量;在气动载荷作用下,呼吸裂纹导致叶片发生非线性振动;常值分量与转频幅值比、常值分量与气动激励频率幅值比是评价呼吸裂纹的有效指标。本文的建模方法和分析结论可为航空发动机叶片裂纹故障诊断提供了一定的理论依据。

新型桨尖旋翼气动与噪声特性对外形参数的敏感性分析

为了探究旋翼桨叶外形参数对旋翼气动及噪声特性的影响,本文采用基于运动嵌套网格的计算流体力学(CFD)方法和声学类比法的FW-Hpds方法分别开展了旋翼气动及噪声特性的数值模拟。流动数值模拟以Navier-Stokes(N-S)方程为基础,湍流模型采用一方程的S-A模型。对流通量采用高阶Roe-WENO格式提高旋翼非定常流场的模拟精度,采用隐式LUSGS双时间推进方法提高计算效率,通过开展前飞状态下SA349/2旋翼气动特性数值模拟,验证了旋翼非定常气动分析方法的有效性;噪声模拟采用基于可穿透积分面的FW-Hpds方法,并通过UH-1H模型旋翼噪声算例进行验证。在气动/噪声耦合方法的基础上,开展桨叶预扭及桨尖外形等参数敏感性分析。结果表明,所采用的CFD/FW-Hpds旋翼气动噪声计算方法能够有效模拟旋翼的气动和噪声特性,旋翼桨叶预扭转及桨尖外形等参数主要通过改变旋翼桨叶表面载荷分布对载荷噪声特性造成影响,其对厚度噪声的影响较小。

转子叶片表面非定常气动力的构成及叠加分析

数值模拟了一个带有导叶的单级低速压气机中转子叶片表面的非定常气动力.通过研究转子叶片根部、尖部前缘和尾缘局部位置的非定常气动力,阐明了由尾迹和势扰动两种非定常性诱发的气动力在转子叶片表面的叠加特性.结果表明,上游尾迹的影响波及整个转子叶片弦长范围,而下游静子叶片势扰动仅影响转子叶片尾缘附近的脉动压力,改变上、下游叶片的时序位置,当整个转子叶片表面脉动压力的幅值比最大值减小19.4%时,其叶尖前缘脉动压力的幅值仅比最大值减小9.4%.