9_14_修改_跨音速風(fēng)扇葉尖間隙對顫振特性的影響研究

1、跨音速風(fēng)扇葉尖間隙對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)流動模型。求解定常和非定常流場使用使用雷諾平均NavierStokes方程（RANS），結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程的求解使用模態(tài)疊加法利用時間推進法模擬顫振的整個非定常過程直到達到收斂條件對得到的模態(tài)位移曲線進行擬合得到對應(yīng)狀態(tài)的氣動阻尼值

2、。定常計算和顫振計算使用自行編制的HGFS計算程序計算，間隙范圍從0.15%span1.26%span。數(shù)值計算結(jié)果表明，葉尖間隙的大小與氣動阻尼為非線性關(guān)系，存在一個中間葉尖間隙使氣動阻尼最大，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)定性中圖分類號：V231.3文獻標識碼：A文章編號：0引言隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機的發(fā)展，人們對航空發(fā)動機的性能提出了更高的要求。一方面要求發(fā)動機具有高推重比、重量輕的特點，使發(fā)動機得結(jié)構(gòu)更加緊湊

3、；另一方面要求發(fā)動機具有高可靠性、長壽命以及低耗油率等特點，導(dǎo)致流體誘發(fā)的葉片振動問題越來越突出和復(fù)雜。航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片顫振是一種氣動力引起的自激不穩(wěn)定的振動。由于流體域作用在固體域上做正功，氣動力做功產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)子葉片不能吸收，顫振就會發(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[3]。國內(nèi)外學(xué)者對葉尖間隙流動及其對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、僅會使葉片表面氣動功分布變化[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，目前葉尖間隙對顫振特性的影響規(guī)律還沒有形成統(tǒng)一的認識。本文將通過分析間隙變化引起的葉片表面壓力和氣動阻尼的變化來分析間隙對顫振特性的影響規(guī)律。?1方法與模型簡介流固耦合法是現(xiàn)階段對于顫振問題分析應(yīng)用較多的一種方法。它考慮了葉片結(jié)構(gòu)變形和繞流運動之間的相互作用，相對于純流體域和固體域的模擬，更加符合物理實際。在流體域的求解中，本文采用自行編制的

5、程序HGAE[6][7]，其計算器HGFS使用雷諾平均NavierStokes方程（RANS）的方法來求解定常和非定常流場。如圖1，在每一個物理時間步內(nèi)，在流體域上求解流體控制方程來得到其作用于固體表面的壓力，從而為結(jié)構(gòu)計算提供此時刻的邊界條件。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刻的邊界條件，通過網(wǎng)格變形技術(shù)對流體域網(wǎng)格進行更新。在此基礎(chǔ)上利用時間推進法模擬顫振的整個

6、非定常過程直到收稿日期：第一作者簡介：楊俊（1990），男，山西晉中人，碩士，主要從事航空發(fā)動機內(nèi)流和顫振研究。在流體域進行非定常流動求解積分葉片表面上的氣動力求解結(jié)構(gòu)體的運動學(xué)方程，計算葉片變形及變形速度根據(jù)結(jié)構(gòu)體的變形位移對整個流體域網(wǎng)格進行圖1流固耦合方法計算流程機風(fēng)扇，本文所選的部件為其風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片。為了統(tǒng)一邊界條件進行計算結(jié)果的對比，進口給定總溫和總壓，機匣和輪轂為無滑移壁面條件。單通道定常計算采用周期性邊界條件，出口給定輪轂

7、處靜壓，得到不同間隙下轉(zhuǎn)子特性曲線。全環(huán)流固耦合計算出口設(shè)定流量邊界條件，得到不同間隙下轉(zhuǎn)子的氣動阻尼。Rot67葉片最長半徑16.16cm，設(shè)計葉尖間隙為1.016mm，約為葉片半徑的0.63%（記為0.63%span）。單通道定常計算和全環(huán)流固耦合計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)點數(shù)約為50萬，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

8、單元節(jié)點，單個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計算得到。2計算結(jié)果2.1間隙泄漏流對氣動性能的影響間隙泄漏流對氣動性能的影響定常計算以葉尖間隙0.31%span~1.86%span結(jié)果進行對比。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，堵塞點流量隨間隙變大減小。葉尖間隙的增大導(dǎo)致泄漏流動增強，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%弦長附近有一道很強的激波，這部分區(qū)域也是泄漏流動最強的區(qū)域，泄漏流的存在必然會對激波產(chǎn)生強烈的干擾，使激波附近產(chǎn)生強烈的激波震蕩。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葉尖間隙對葉表壓力分布的影響葉尖間隙對葉表壓力分布的影響葉片表面的壓力分布對于葉片氣動阻尼有較大影響。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，可以得到氣動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。橫坐標為葉片沿弦長方向的換算弦長，縱坐標為無量綱化的靜壓。當葉尖間隙由0.15%span增大到1.24%span，隙泄漏渦在30%弦長附近開始顯著增強，受到強泄漏流影響。通道激波位置向后移動，吸力面和壓力面在這一區(qū)域壓力都會發(fā)生顯著的增大。激波過