【毕业答】叶尖间隙对转子叶片颤振特性的影响

导师：导师：学生：学生：郑赟郑赟杨俊杨俊2021-11-192n 叶片颤振：弹性体叶片在气流中发生自激振动n 颤振分类-亚/跨音速失速颤振 -亚音堵塞颤振-超音非失速颤振-高反压超音颤振-超音失速颤振n 影响因素：叶片间相位角；振动模态；折合频率等n 危害：发作时间短，破坏性极强威胁发动机结构完整性和可靠性设计人员不得不攻克的难题2021-11-193叶片振动曲线叶片振动曲线颤振分类颤振分类2021-11-1942021-11-194叶尖间隙气动负荷颤振特性叶尖泄漏流三涡结构叶尖泄漏流三涡结构Kang模型模型叶尖泄漏流三涡结构叶尖泄漏流三涡结构Kang模型模型n冯毓诚等在跨音速压气机试验台上，对BF-1系列转子在两种不同叶尖间隙（1.6mm和0.5mm）下进行颤振实验的情况。由于二次流损失减少，气流激振能量增加，使叶片失速颤振区范围扩大，颤振边界前移。n李克俭等探讨了压气机转子漏流涡与叶片气弹稳定性的相关性。结果表明，漏流涡对叶片气弹稳定性影响较大，大涡量的漏流涡能抑制叶片颤振发生。n杨慧等重点辨别叶尖间隙对压气机叶片气弹稳定性的影响，实验发现，在叶栅稳定性最差时，随着间隙从零增加到2.3%叶高，局部气动阻尼在90%95%叶高处减少了大约45%。得出结论：不考虑叶尖间隙的数值模型可能会给出过稳定的叶片颤振预测。nFu，Wang等使用能量法和特征值法计算了五种不同间隙下压气机叶片气动弹性稳定性的变化.随着间隙增大，叶片的气弹稳定性先变小，达到一个极小值又会变大，存在一个最佳的叶尖间隙尺寸。nPeng等通过计算研究了多级轴流压气机转子叶片间隙和静子导叶叶片叶尖间隙对颤振特性的影响。大的叶尖间隙产生的间隙流是颤振发生的诱导因素，较大的叶尖间隙会降低气动弹性稳定性，使颤振特性变差2021-11-1952021-11-196叶尖间隙流动及分区泄漏流运行轨迹及影响范围间隙对叶表非定常压力的影响间隙对叶片表面局部气动功的影响间隙对泄漏流动的影响间隙对定常压力的影响叶尖间隙对气动阻尼的影响定常压力非定常压力局部气动功气动阻尼泄漏涡2021-11-197n 算例模型：1. NASA rotor67风扇转子（小型）2. 某大型风扇转子n 工具1. 网格划分：IGG/AutoGrid5，MARC/ANSYSY2. 前处理：HGPP程序3. 求解流场：HGFS/HGFSP求解器4. 后处理：HGPSTecplot 360n 计算方法 能量法和流固耦合法流固耦合法流程图流固耦合法流程图2021-11-198n 1. rotor67风扇转子参数n 2.流体域网格网格点总数网格点总数515603流道径向层数流道径向层数73叶尖间隙径向层数叶尖间隙径向层数19设计转速设计转速16043rpm进口叶尖速度进口叶尖速度429.0m/s设计流量设计流量33.25kg/s进口叶尖马赫数进口叶尖马赫数1.38设计压比设计压比1.63进口半径比进口半径比0.375设计叶尖间隙设计叶尖间隙1.016mm出口半径比出口半径比0.478设计叶片数设计叶片数22最长半径最长半径16.16cm展弦比展弦比1.56最短半径最短半径12.85cmn 3.固体域网格n 4. 叶尖间隙取值范围n 5.边界条件2021-11-199大小（大小（mm）0.250.50.751(设计设计)1.52叶高叶高%0.15%0.31%0.46%0.62%0.93%1.24%弦长弦长%0.3%0.6%0.9%1.2%1.5%1.8%Adamczyk J J，Celestina M L，Greitzer E MThe role of tip clearance in high-speed fan stallJJournal of Turbomachinery，1993，115：1（1）：28-39计算类型计算类型间隙范围间隙范围工况工况定常计算定常计算0.15%叶高叶高1.24%叶高叶高背压背压90000106500能量法计算能量法计算0.62%叶高叶高最高效率点后，换算流量最高效率点后，换算流量0.95流固耦合法计算流固耦合法计算0.15%叶高叶高1.24%叶高叶高最高效率点后，换算流量最高效率点后，换算流量0.95节点数节点数单元数单元数单元类型单元类型转速（转速（rpmrpm）一阶振动频率一阶振动频率138331383389448944六面体网格六面体网格1604316043528.98Hz528.98Hzn 1.流体域网格n 2.间隙范围n 3.边界条件2021-11-1910设计转速设计转速3616rpm网格点总数网格点总数662381叶片长度叶片长度0.672m流道径向层数流道径向层数73叶尖弦长叶尖弦长0.395m叶尖间隙径向层数叶尖间隙径向层数21间隙大小间隙大小1mm2mm3mm4mm间隙间隙/叶尖弦长叶尖弦长0.25%0.50%0.75%1.00%计算类型计算类型间隙范围间隙范围工况工况定常计算定常计算0.25%1.00%背压背压88000105700流固耦合法计算流固耦合法计算0.25%1.00%给定背压给定背压98500振动阶数振动阶数振动频率振动频率一阶一阶99.121Hz二阶二阶175.1Hz三阶三阶225.1Hzn 4.固体振动频率n 1. 叶尖间隙对气动性能的影响计算与实验结果对比间隙大小对特性影响n 2. 叶尖间隙对泄漏涡的影响泄漏流分区及影响范围间隙对泄漏流的影响n 3. 叶尖间隙对叶片表面压力的影响间隙对叶片表面压力的影响时域和频域分析98%叶高压力分布n 4. 叶尖间隙对颤振特性影响分析能量法计算叶片表面局部功分布不同相位气动阻尼对比2021-11-1911定常压力非定常压力局部气动功气动阻尼泄漏涡2021-11-1912n 最大效率点在背压1.05附近，此时流量为33.792kg/s，效率为0.9077。n NASA实验测定堵塞流量为34.96kg/s，计算结果为34.63kg/s，比实验值略小。n 以堵塞点流量为基准：换算流量=实际流量/堵塞点流量2021-11-1912流量流量-效率图效率图流量流量-压比图压比图叶尖间隙增大，压气机转子最大效率下降，最大压比减小选定对比的工作点为换算流量为0.95附近，采用给定背压的方法计算流量相同，载荷大小相似2021-11-1913流量流量-效率图效率图流量流量-压比图压比图n 间隙泄漏流动分区（叶尖间隙为0.62%叶高）A区为主流占主要影响的区域（主泄漏流）B区为叶尖间隙泄漏流动区（通道泄漏流）C区为泄漏涡区域（掺混区）2021-11-1914ABC进口进口进口进口叶尖中部叶尖中部进口进口进口进口叶尖尾缘叶尖尾缘叶尖尾缘叶尖尾缘n 3.2.1泄漏涡运行轨迹n A：主泄漏流区流动受到主流影响，泄漏流直接向下游流动。n B：通道泄漏流区流动受吸力面和压力面压差的影响，流动方向垂直于主流的泄漏流动。n C：掺混区主泄漏流和通道泄漏流在此处掺混，并且与通道激波相遇，发生强烈的涡波干涉。2021-11-1915ACB进口进口BCAACBVortex1Vortex2进口进口进口进口进口进口通道内熵增图通道内熵增图通道内涡量尺度通道内涡量尺度叶叶尖部位流线尖部位流线叶尖部位流管叶尖部位流管n 3.2.2泄漏流影响范围1. 主泄漏流区。影响范围在90%叶高以上，60%弦长之前。2. 通道泄漏流区。影响范围在90%叶高以上，20%弦长之后。3. 掺混区。影响范围在通道内30%到70%弦长附近。2021-11-1916Ps SsA1B1Ps SsA2B2C20%弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）33%弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）Ps SsC3B3A366%弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）C5Ps SsB4C4100%弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）133%弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）n 3.2.3叶尖间隙大小对泄漏涡影响范围的分析：1. 在小的间隙下，没有形成泄漏涡或只是形成了强度很弱的泄漏涡。2. 在大的间隙下，泄漏涡为射流-尾迹结构。3. 叶尖间隙对压力面的影响大于对吸力面影响。2021-11-1917Ps SsPs SsPs SsPs SsA1A3A2B4B3B2C3C2C4图示间隙范围从左到右分别为图示间隙范围从左到右分别为0.31%叶高、叶高、0.62%叶高和叶高和1.24%叶高。叶高。图示通道截面从上到下分别为图示通道截面从上到下分别为0%弦长弦长、33%弦长、弦长、66%弦长和弦长和100%弦长。弦长。0%弦长弦长66%弦长弦长33%弦长弦长100%弦长弦长0.31%叶高叶高0.62%叶高叶高1.24%叶高叶高2021-11-1918叶尖间隙叶尖间隙0.31%span，吸力面（左）和压力面（右），吸力面（左）和压力面（右）叶尖间隙叶尖间隙1.24%span，吸力面（左）和压力面（右），吸力面（左）和压力面（右）叶尖间隙叶尖间隙0.62%span，吸力面（左）和压力面（右），吸力面（左）和压力面（右）进口进口进口进口进口进口进口进口进口进口进口进口激波激波激波激波激波激波Vortex1Vortex2VortexVortex+shockPressureSuctionMainstream叶尖间隙叶尖间隙0.62%span，98%叶高叶片叶高叶片通道和叶片表通道和叶片表面压力分布面压力分布叶尖间隙叶尖间隙0.62%span，95%叶高叶片叶高叶片通道和叶片表通道和叶片表面压力分布面压力分布shockshock从左到右依次从左到右依次叶尖间隙叶尖间隙0.62%span，90%叶高叶高、70%叶高、叶高、50%叶高叶高叶片叶片通道压力分布通道压力分布2021-11-1919叶尖间隙为叶尖间隙为0.15%span叶尖间隙为叶尖间隙为1.24%span叶尖间隙为叶尖间隙为0.62%span叶尖间隙为叶尖间隙为0.31%span不同间隙下不同间隙下98%叶高叶片叶高叶片表面表面压力时空图压力时空图1. 进口主泄漏涡增强会导致激波位置向后移动，而通道泄漏流起始位置向前移动；2. 激波震荡先增强后减弱，涡波干涉作用增强。0.15%span1.24%span间隙间隙下下98%叶高叶高定常压力分布定常压力分布压力面压力分布压力面压力分布吸力面压力分布吸力面压力分布2021-11-1920压力面幅值压力面幅值吸力面相位吸力面相位吸力面幅值吸力面幅值压力面相位压力面相位不同间隙下不同间隙下98%叶高叶片表面叶高叶片表面压力傅里叶变换（压力傅里叶变换（f=528.98Hz）n 间隙对叶表压力影响小结：1. 当叶尖间隙由0.15%span增大到0.62%span，没有形成泄漏涡或形成很弱的泄漏涡。随着间隙增大，通道泄漏涡起始位置后移，激波震荡强度增强；主泄漏流增强，影响范围变大；涡波干涉区激波位置向后移动，近叶尖附近激波震荡强度增强。2. 当叶尖间隙由0.62%span增大到1.24%span，形成的泄漏涡为射流-尾迹结构。通道激波和泄漏涡位置发生明显的变化，通道形成的射流使吸力面叶顶附近激波强度减弱。n 能量法和流固耦合法分别进行颤振计算1. 能量法：给定叶片间相位角和模态，可以得到给定状态下叶片表面功的分布。2. 流固耦合法：给定模态，可以同时计算出不同振型和相位角下的气动阻尼。2021-11-1921能量法计算模态位移曲线能量法计算模态位移曲线能量法计算单个叶片功变化能量法计算单个叶片功变化流固耦合法计算模态力曲线流固耦合法计算模态力曲线流固耦合法计算模态位移曲线流固耦合法计算模态位移曲线n 间隙对叶片表面局部气动功的影响1. 在叶片吸力面上，激波位置对应局部正功A区域，影响位置在70%叶高以上，弦长50%之后。涡波干涉对叶片表面压力做正功促进振动，对气弹稳定性不利。进口处主流区域对应局部负功B。2. 在叶片压力面上，局部负功C出现在进口处，靠近进口激波和主泄漏流产生的尾迹区域。负功会抑制叶片振动。而局部正功D位置可能来自上一页片的通道泄漏流和主泄漏流。2021-11-1922Vortex1ShockVortex2Vortex2ShockVortex1吸力面吸力面压力面压力面进口进口进口进口吸力面功分布吸力面功分布压力面视角流动演化压力面视角流动演化吸力面视角流动演化吸力面视角流动演化压力面功分布压力面功分布前缘前缘前缘前缘DCBAn 颤振特性分析1. 在不同的节径下，气动阻尼对节径变化规律并不是完全相同。2. 考虑最不稳定点即最小气动阻尼随间隙的变化情况，气动阻尼随着叶尖间隙增大先增大后减小。存在一个中间叶尖间隙使气动阻尼最大。3. 在最小气动阻尼附近，叶尖间隙的增大对颤振特性具有抑制作用。2021-11-1923气动阻尼随节径变化气动阻尼随节径变化不同间隙下最小气动阻尼不同间隙下最小气动阻尼气动阻尼随间隙变化气动阻尼随间隙变化局部放大图局部放大图n 叶尖间隙产生泄漏流主要分几个方面考虑。1. 叶尖和机匣间的泄漏流动不一定产生泄漏涡。小的叶尖间隙下没有形成泄漏涡，或形成旋涡强度很弱的泄漏涡；大的叶尖同隙下应是“射流-尾迹”流动结构。2. 主泄漏流随着间隙的增大影响范围不断增大，影响范围扩大到整个叶片通道。间隙泄漏流泄漏量的增加使叶片表面沿叶高方向压力波动范围增大。3. 激波对应位置的压力波动随着间隙变化不断向后移动，并且间隙泄漏流随着间隙增大不断增大，泄漏流-激波干涉作用变强。n 叶尖间隙对转子叶片颤振特性的影响结论如下。n激波在吸力面和压力面上做功的正负相反，涡波干涉区对应的局部气动功为正，进口处主泄漏流对应的局部气动功为负。涡波干涉和激波的存在，都会使叶片表面局部气动功为正，对于叶片的气弹稳定性不利。1. 不同节径下气动阻尼随间隙变化不是完全相同。考虑最小气动阻尼所在的节径1处，气动阻尼随叶尖间隙为先增到后减小的趋势，存在一个最优的叶尖间隙使转子叶片的气动阻尼最小。2021-11-19242021-11-1925n 1. 叶尖间隙对气动性能的影响风扇级特性计算工作点选取n 2. 叶尖间隙对叶片表面压力的影响间隙对叶片表面压力的影响98%叶高定常计算压力分布98%叶高叶表压力时域分析n 3. 叶尖间隙对颤振特性影响分析不同模态下对应的气动阻尼变化不同节径对应气动阻尼对比定常压力非定常压力局部气动功气动阻尼泄漏涡2021-11-1926n 特性曲线最 高 效 率 点 的 流 量 为539.63kg/s，对应的效率为95.43%。堵塞点流量为551.84kg/s，统一对流量做了归一化处理。n 工作点选取选用流量、压比、效率这三个宏观特性，作为相同工况的参考。本章将以给定相同的出口背压为105000Pa作为同一条件进行对比。TipGap(mm)PressureRatioMassFlow(kg/s)Efficiency11.46650.260%484.5074-0.119%0.9160.355%21.46470.137%485.69040.124%0.91420.158%31.4615-0.082%480.2709-0.993%0.9102-0.280%41.4561-0.451%487.22330.440%0.905-0.850%流量流量-压比曲线压比曲线不同间隙下所选工作点的特性不同间隙下所选工作点的特性流量流量-效率曲线效率曲线叶尖间隙的变化对叶片表面定常压力的影响2021-11-1927叶尖间隙叶尖间隙0.75%chord，压力面（左）和吸力面（右），压力面（左）和吸力面（右）叶尖间隙叶尖间隙0.25%chord，压力面（左）和吸力面（右），压力面（左）和吸力面（右）叶尖间隙叶尖间隙1.00%chord，压力面（左）和吸力面（右），压力面（左）和吸力面（右）叶尖间隙叶尖间隙0.50%chord，压力面（左）和吸力面（右），压力面（左）和吸力面（右）LeadingedgeLeadingedgeLeadingedgeLeadingedgeLeadingedgeLeadingedgeLeadingedgeLeadingedgeLeadingedgen 叶尖间隙对叶片表面压力分布的影响1. 在叶片吸力面上，随着叶尖间隙增大，进口处主泄漏流影响范围变大，进口激波位置向后移动10%弦长左右。2. 在叶片压力面上，随着叶尖间隙增大，进口处主泄漏流影响范围变大，压力不断减小，最大值减小约为10%。激波位置向后移动约5%弦长，并且激波强度减弱。3. 叶尖间隙变化对叶顶附近压力面影响比吸力面影响大。2021-11-192850%叶高叶片表面压力时空图叶高叶片表面压力时空图50%叶高叶片表面定常压力叶高叶片表面定常压力98%叶高压力面叶片定常压力叶高压力面叶片定常压力98%叶高吸力面叶片定常压力叶高吸力面叶片定常压力PressureSuction2021-11-1929三阶振动频率（三阶振动频率（f=225.10）傅里叶变换）傅里叶变换二阶振动频率（二阶振动频率（f=175.10）傅里叶变换傅里叶变换一阶振动频率（一阶振动频率（f=99.121）傅里叶变换傅里叶变换压压力力面面吸吸力力面面一阶振动频率（一阶振动频率（f=99.121）傅里叶变换傅里叶变换二阶振动频率（二阶振动频率（f=175.10）傅里叶变换傅里叶变换三阶振动频率（三阶振动频率（f=225.10）傅里叶变换）傅里叶变换1. 在压力面上，随着叶尖间隙增大，进口泄漏流产生的非定常波动增强，通道激波震荡强度先增强后减弱。2. 在吸力面上，进口泄漏流产生的影响与激波震荡产生的影响相近。3. 对应不同震动频率下，傅里叶变换幅值不同，但是随间隙变化的趋势基本一致。n 不同间隙下98%叶高叶片表面压力时空图1. 叶片进口段主泄漏流影响范围和通道泄漏流影响范围。随着叶尖间隙变大，进口主泄漏流引起的叶片表面非定常压力波动减弱，其他位置压力波动增强。2. 在较小间隙下几乎没有产生或产生的泄漏涡很弱，大间隙下产生射流-尾迹结构的泄漏涡，是叶片表面压力非定常波动是非线性变化的原因。2021-11-1930叶尖间隙叶尖间隙0.25%chord叶尖间隙叶尖间隙1.00%chord叶尖间隙叶尖间隙0.75%chord叶尖间隙叶尖间隙0.50%chordn 一阶振动（f=99.121）模态气动阻尼1. 在不同节径下气动阻尼随间隙变化的趋势并不相同。2. 从-8到0节径和8、9节径下，气动阻尼随间隙变大而减小。从1到6节径，气动阻尼随间隙增大而增大。3. 考虑最不稳定点的气动阻尼在节径为3的区域，气动阻尼随间隙增大而增大。4. 在最不稳定点，从0.25%叶尖弦长到0.75%叶尖弦长下气动阻尼小于零，颤振可能发作。间隙为1%叶尖弦长时，气动阻尼大于零，颤振发作可能性较小。5. 综合来说，在一阶弯曲振型下，叶尖间隙的增大会使转子的气弹稳定性增强。2021-11-1931n 二阶振动（f=175.10）模态气动阻尼1. 在不同节径下下气动阻尼随间隙变化的趋势并不相同。2. 从-8到-1节径和9节径下，气动阻尼随间隙变大而增大。其他节径下，间隙变化为气动阻尼变化的规律并不明显。3. 考虑最不稳定点的气动阻尼在节径为-1的区域，气动阻尼随间隙增大而增大。4. 在最不稳定点，气动阻尼均大于零，表示颤振不会发作。5. 综合来说，在二阶扭转振型下，叶尖间隙增大会使转子的气弹稳定性增强。2021-11-1932n 三阶振动（f=225.10）模态气动阻尼1. 在不同节径下下气动阻尼随间隙变化的趋势并不相同。2. 从-6到-2节径和6到9节径下，气动阻尼随间隙变大而增大。-1到4节径下，气动阻尼随叶尖间隙变化为非线性关系。3. 考虑最不稳定点的气动阻尼在节径为3的区域，气动阻尼有先减小后增大的趋势。4. 在最不稳定点对应的3节径处，气动阻尼均大于零，表示颤振不会发作。5. 综合来说，在三阶弯扭振型下，叶尖间隙增大不会使转子气弹稳定性变差。2021-11-1933n 全文工作摘要n 以rotor67风扇模型，进行了如下分析：1. 使用定常计算结果讨论了叶尖间隙泄漏流的运行轨迹和影响范围，叶尖间隙大小对叶片表面定常压力的影响；2. 使用流固耦合法计算并分析了叶片表面非定常压力分布；3. 用能量法计算了叶片表面的功分布；4. 使用流固耦合法计算了叶尖间隙对气动阻尼影响并进行分析。n 以某三维风扇转子叶片为模型，进行了如下分析：n通过对叶片表面定常和非定常压力波动研究，分析了叶尖间隙变化对转子叶片表面非定常压力波动的影响。1. 使用流固耦合法计算并对气动阻尼和模态力响应进行了分析，得到了叶尖间隙变化对气动阻尼影响的规律。2021-11-1934n 第一部分主要结论如下：1. 叶尖间隙产生的主泄漏流和通道泄漏流及激波干涉，是叶顶附近叶片表面非定常压力波动的主要原因。2. 叶尖间隙的大小与气动阻尼为非线性关系，存在一个中间叶尖间隙使气动阻尼最大，气弹稳定性最优。n 第二部分主要结论如下：1. 叶尖间隙对转子叶片表面非定常压力波动是由激波震荡和涡波干涉作用引起的，随着间隙变化，叶表非定常压力波动是非线性的。2. 不同的节径和对应振型下，气动阻尼随间隙变化的规律不完全相同。考虑最不稳定点的气动阻尼，叶尖间隙的增大不会对叶片颤振产生明显的促进作用。n 展望1. 使用能量法进行给定振动方式和叶片间相位角的方法有助于从流动现象去解释气动阻尼的变化，但是本文由于时间问题只做了一小部分；2. 对流动现象与叶表非定常压力波动的分析不到位，需要进一步去理解流动现象对颤振特性的影响。2021-11-193520152015年年1212月月