气动激励对叶片振动特性的影响

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1、气动激励对叶片振动特性的影响InfluenceofAerodynamicExcitationonBladeVibrationProperty学科专业航空宇航推进理论与工程培养院系能源与动力工程学院摘要在现代航空发动机的设计中，为提高发动机的性能，采用了空心弯掠叶片、高压比压气机等新技术，减少了叶排级数。叶片的气动负荷却大大增加。同时，叶片材料多使用轻质合金和复合材料。因此，发动机叶片在上游尾迹、势干扰、激波等非定常气动激励的作用下，振动非常严重。涡轮叶片更由于其极其苛刻的工作环境，深受其害。发动机低阶强迫振动是一种发生在远低于叶片通过频率下的强迫振动。其激励源是周向均匀性的缺失。本文旨在研究

2、失谐对发动机低阶气动激励的影响以及低阶气动激励对叶片振动特性的影响。研究中使用软件HGAE对某高压涡轮级的非定常流动进行了全三维粘性的数值模拟。由于低阶气动激励对周向不均匀性的敏感性，所有计算均针对整环叶栅。首先对单排进口导叶进行模拟，通过对转静叶间的流场参数基于周向角度的空间傅里叶分析，研究了导叶后流场的周向特性，得到如下结论：导叶后的流动中出现较大扰动幅值的低阶周向分量，并且低阶周向分量的扰动幅度随着喉道面积的变化幅度而线性增加；其次，对整级涡轮进行了模拟，通过对叶片表面的非定常气动力的频域分析，得到叶片喉道面积变化幅度与低阶气动激励幅值的关系。得到如下结论：叶片表面时域的傅里叶分析结果

3、与导叶后的低阶周向分量有明显的对应关系，低阶气动激励的幅值也随导叶喉道面积的变化而线性增加。同时，低阶气动激励的出现，可以大幅度的降低叶片通过频率激励的幅值，达到散频降幅值的作用；接着涡轮的轴向间隙进行调整，以研究其对低阶气动激励的影响，研究发现轴向间隙对叶片表面低阶压力分量的影响不大。叶片通过频率对应阶次的压力分量的幅值随轴向间隙的减小而增大。最后，对涡轮叶片的振动特性进行了流固耦合下的模拟，得到了如下结论，振动的模态力的扰动的幅值与导叶的喉道面积87变化有紧密的关系，导叶喉道面积的最大变化值越大，模态力的扰动的幅值也越大，并且有近乎线性的关系存在。关键词：气动激励，非定常流动，数值模拟，

4、低阶气动激励87AbstractToimproveperformanceofaero-engine,newtechniqueslikehollowbendingsweptblade,highpressureratiocompressorareimplementedandstagesofbladerowsdecrease.However,aerodynamicloadincrease.Meanwhile,thebladeuselightalloysteelasitsmaterial.Therefore,seriousbladevibrationappearsunderunsteadyflows

5、uchasupstreamwakesandshock.Turbinebladesuffersmoreduetoitsrigorousworkenvironment.Lowengineorder(LEO)forcedresponseisaparticularregimeofforcedresponse,occurringatmuchlowerfrequenciesthantheblade-passingfrequency.TheresourceofLEOexcitationisalossofsymmetry.Thispaperfocusesontheinfluenceofmistuneturb

6、ineandLEOonthebladevibration.NumericalsimulationofhighpressureturbinewithunsteadyflowsolverHGFSwasconducted.ConsideringthesensibilityofLEOexcitation,wholeannularmodelsareused.BothsingleNGVandwholeturbinestageconfigurationsaresimulatedtostudytheLEO'scharacters.Conclusionsbelowareacquiredbyanalyzingt

7、hespaceFFTofflowparameters.Asthethroatareaofcascadeincreased,AmplitudeofLEOincreaseslinearly.TheamplitudeofbladenumberharmonicisreducedlargelywhenLEOappears.Asaxialspacingreducing,AmplitudeofLEOislittleinfl