基于流固耦合的压气机转子叶片非同步振动分析

压气机转子叶片非同步振动是近年来发现的一类新气动弹性问题,表现为叶片振动频率与转频不同步且具有锁频现象,严重影响航空发动机的可靠性和运行安全,目前对其产生机理并不完全清楚.为了深入研究压气机内不稳定流动与叶片非同步振动之间的耦合机制,基于时间推进的方法建立了多级压气机转子叶片全环的双向流固耦合模型,数值研究了刚性叶片与非同步振动柔性叶片的非定常流场、气流激励频率和结构响应特征,揭示了压气机转子叶片非同步振动的流固耦合机制.结果表明:近失速工况下,转子叶尖吸力面径向分离涡的周期性脱落及再附过程是导致叶尖压力剧烈波动的主要原因,其3倍谐波激励频率与转子一阶弯曲固有频率接近,提供了叶片非同步振动的初始气流激励源.叶片非同步振动发生时,位移响应表现为等幅值的极限环特征,振动以一阶弯曲模态主导,径向分离涡产生的非整数倍气流激励频率及其谐波频率最终锁定为叶片一阶弯曲固有频率,非同步振动的运动胁迫使得相邻通道叶尖流场周向趋于一致.研究成果及对叶片非同步振动流固耦合机制的认识可为压气机内部不稳定流动诱发的叶片振动失效分析提供有益参考.

高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片非同步振动的实验研究

为揭示高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片高振幅值非同步振动的发展过程及其产生机理,本文从实验角度出发,详细揭示了一种由旋转不稳定涡激发转子叶片非同步振动瞬态过程中流体主动作用至被动响应的变化趋势。研究结果表明,在叶片振动触发前,第一级转子叶尖分离涡扰动已存在,但其频率与叶片固有频率未耦合。随级负荷进一步升高,分离涡频率小幅波动,诱发其与叶片一阶固有频率耦合,激发转子叶片高振幅值振动。气流扰动周向模态数由流体主动作用时的高模态发展为被动响应时的低模态。

压气机叶片非同步振动机理及气动布局优化研究

针对航空发动机叶片中的非同步振动诱发叶片断裂失效问题,基于时域推进的方法建立了压气机全周物理域的流固双向耦合模型,旨在对周向非定常扰流和叶片气动弹性特征进行更合理的描述。通过该模型揭示了叶片非同步振动的发生机理,并通过一定的气动布局手段优化了叶片表面气动力和振动幅值。研究表明:叶尖泄漏流与主流掺混后形成的通道涡是诱发叶片产生非同步振动的根本原因,而掺混流的周向传播强度仅在一适中的范围内时才具有产生明显通道涡的能力,并提出以通道前缘截面上的流动相对周向动量Wmix为判断通道涡和振动幅度强弱的依据。导叶偏转角或导叶栅距非谐程度的增大,均会对掺混流的周向强度有一定的加强作用,使得通道涡强度和非同步振动幅值呈现先增大后减小的趋势。

轴流压气机转子叶片非同步振动的声传播特征研究

围绕某型涡扇发动机压气机内部噪声环境下转子叶片气固耦合振动失效问题,开展某型涡扇发动机压气机流道内部噪声测量试验,主要研究压气机高压一级转子叶片发生非同步振动(NSV)时压气机流道内部声波传播特征。针对压气机高压一级转子叶片发生NSV时,研究了6个测点位置处噪声信号特征,确定了噪声源位置以及特征频率噪声信号沿压气机周向和轴向位置的传播特性,并应用环形管道声传播基本理论,初步计算了压气机内部特征频率噪声信号的基本物理特性。分析结果表明:诱发高压一级转子叶片NSV的声信号应起源于高压一级转子叶片排位置处;该声信号沿轴向位置的传播方式为:从高压一级转子叶片排位置向两端传播;周向传播方式为:周向阶数为6的声模态与转子旋转方向相反的方向传播;压气机内部声共振是诱发转子叶片NSV的主要原因。研究的内容和结论,对分析航空发动机压气机转子叶片故障问题、提高压气机性能和工作稳定性具有重要的参考价值。

多级压气机转子负荷系数对叶片非同步振动的影响

通过理论计算分析与试验研究,解释了核心机试验中调节叶片(VSV)异常偏关引起的转子叶片非同步振动(NSV)现象。首先对出现叶片振动的前1.5级压气机进行了全环非定常数值模拟研究。数值结果表明当第1级静叶安装角从偏关2°逐渐调节到偏关6°时,第1级转子叶片负荷逐渐增加,并出现明显的分离流动结构,该流动现象在转子叶片上产生非整数倍转频的压力脉动激励,这是典型的旋转失稳(RI)现象特征。为进一步研究旋转失稳诱发非同步振动与转子气动负荷之间的关联,在6级跨声压气机试验件上开展了系统性的计算与试验研究。通过二维通流计算评估了不同进口导叶/静叶(VIGV/VSV)角度下,第1级转子负荷随转速的变化规律。进而通过6级压气机试验,观察到当第1级静子叶片调整到偏关8°以及第1、第2静子叶片同时调整到偏关4°和偏关3.6°时,第1级转子叶片均出现了非同步振动现象。通过分析第1级转子叶片表面应变的频谱和机匣动态压力脉动的频谱,建立了二者的内在关联。明确了除叶尖径向间隙大外,可调导叶/静叶偏关同样会在转子叶尖形成高负荷,导致叶尖区域流动不稳定进而诱发叶尖旋转失稳现象。研究结果对于多级压气机的设计工作具有重要的指导意义。

轴流压气机转子叶片非同步振动研究进展

航空发动机非定常流固热声耦合问题涉及发动机性能、适航性和安全性等多个方面,是高性能航空发动机自主研制中不可回避的重要难题。转子叶片非同步振动是航空发动机压气机中出现的一类新的气动弹性问题,涉及多学科交叉。随着压气机气动负荷不断提高和叶片阻尼的下降,新研制的高性能压气机暴露出非同步振动问题,导致叶片振动应力超限,其引发的叶片断裂故障也屡见不鲜,但对其产生机制和控制方法尚未完全摸清。梳理和总结了国内外轴流压气机叶片非同步振动现象和特征,对转子叶片非同步振动的产生机制、影响因素、抑制方法的研究进展进行了回顾,旨在扩展压气机内不稳定流动诱发叶片非同步振动方面的基础理论认知,为先进航空发动机自主设计研制和故障分析诊断提供技术储备,并对该领域未来的发展进行了展望。

同步振动失稳的莫顿效应及实例

介绍了近年国外振动界研究的旋转机械同步振动失稳一种新机理——莫顿效应(Morton Effect),用它可以解释以往多次发生而又无法理解的异常振动现象。首先,综述了莫顿效应的研究进展、机理、表现特征、与其它类似故障的异同、诊断方法和处理方法等;然后,介绍了过去现场遇到的一个典型案例,现今只有用莫顿效应才得到明确答案。莫顿效应对于现场振动故障诊断和旋转机械动力学设计与制造有一定意义。

基于叶尖定时原理的整体叶盘振动测试与分析

针对某发动机整体叶盘风扇部件第1级转子叶片振动故障,应用基于叶尖定时原理的多通道非接触叶片振动测试系统对不同气动状态、不同运行转速下叶片振动参数进行测量,采用整级叶片行波分析方法分析得到了整体叶盘转子叶片的振动形式以及叶片振动随风扇气动状态和运行转速的变化规律。测试分析结果表明:该整体叶盘转子叶片在多个转速下存在非同步振动,同时静子参考系可观察到前行波,叶片振动频率、激振因素及振动节径均随转速变化,叶片振动Campbell图存在2条明显的激振线,与叶片2弯和1扭振型频率线基本一致。通过测试分析可知振动激励源为宽频激励,且与试验件静子结构激振因素无关。可通过提高叶片自身刚度、强化阻尼效果、降低弯扭耦合来改善叶片振动特性。

多级轴流压气机内部噪声测试及频谱演化特征分析

主要研究压气机高压一级转子叶片出现非同步振动前后,压气机流道内部的噪声特性。利用声波导管系统,分别对某型涡扇发动机整机和压气机部件试验中压气机流道内部噪声进行了测量。对转子叶片振动前后噪声信号的频谱、特征频率处的声压级和总声压级的演化过程进行了详细分析,并与国外相关研究做了对比。分析结果表明:两种试验条件下压气机高压一级转子叶片出现非同步振动现象前后压气机流道内部噪声特性呈现相似的特征,进一步分析得知诱发压气机高压一级转子叶片非同步振动的声源可能仅存在于压气机局部范围内,激励可能是由气动力引起的并与旋转不稳定性有关。

多级轴流压气机噪声源特性分析

某型轴流式压气机高压一级转子叶片出现大幅振动,并且振动频率不是转频的整阶次,即叶片非同步振动。对叶片的激励可能来源于气动和非定常流场,就包含了声场。为了研究叶片出现非同步振动时的压气机声场,在压气机机匣内壁上对压气机噪声进行测量。通过分析得知,噪声信号特征频率的出现与叶片非同步振动同时出现,主要影响因素有压气机转速、结构调节状态等参数。

噪声环境下压气机叶片断裂故障试验

针对某发动机高压转子叶片断裂故障,开展了发动机压气机专项试验验证工作,并在试验中进行了压气机内部噪声测试。通过分析转子叶片振动大时噪声信号的频谱和特征频率的变化过程,得出高压转子叶片在故障时的振动为非同步振动的初步结论,并且特征频率的声源传播方向是由压气机后部向前传播,该结论对转子叶片断裂故障的分析讨论提供了有重要价值的参考依据。

多动态参数同步测试系统构建及其应用

压气机试验过程中虽经常需要进行气动、振动、噪声等多种动态信号的测试与分析,但多是孤立进行的,信号的同步测试和统一分析面临困难。因此对一些多物理场耦合现象研究缺乏手段,不能完成细致的描述。本文主要针对这一问题,提出了一种可直接用于工程的多场动态信号统一同步测试分析方案。首先简要描述了动态测试技术在压气机气动非定常现象导致的气动、结构失稳研究方面所起到的作用,说明了针对压气机非定常现象进行多物理场动态信号同步测试分析技术研究的必要性。其次完成了多物理场动态信号同步测试分析方案设计,解决了时间同步、相位修正和同步测试分析等关键问题。最后将其应用于某航空发动机压气机的非定常故障机理研究方面,取得了较好的应用效果,充分展现了该动态测试平台在压气机非定常现象研究方面的广阔应用前景。