叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252015V01．36No．61885．1895ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．Crlhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／S10006893．2015．0039叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响杨晓东1，侯安平1’*，李漫露2，倪奇峰11。北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家科技重点实验室，北京1001912．中航空天发动机研究院有限公司，北京101304摘

2、要：为了分析叶尖间隙对压气机气动阻尼的影响，基于相位延迟边界条件，建立了跨声速转子的气动阻尼计算模型，研究叶尖间隙对其流场及气动阻尼的影响。计算该转子在设计间隙条件下的气动性能、叶片模态以及颤振边界，和实验数据吻合较好，比较不同叶尖间隙(1．6％，3．2％，5．0％叶尖弦长)的转子气动性能，发现间隙增加使转子效率和压比均有显著的下降；对叶片表面非定常压力研究表明，叶片非定常压力对叶片振动的响应具有强三维特性，同时叶片间相位角(IBPA)和叶尖间隙流对其有显著的影响，由于叶尖间隙增加使叶尖流动的影响加强，导致叶尖区域由于振动造成的一阶谐波压力幅

3、值相对减小，大间隙趋于恶化压力面的稳定性而对吸力面的影响在不同的叶片间相位角时不同；对于气动阻尼，在不同的叶片间相位角区域，叶尖间隙对其影响有显著的差异，甚至会产生截然相反的规律，特别是在设计状态，对于该转子，大间隙提高了叶片最不稳定状态的气动阻尼。关键词：气动弹性；相位延迟；气动阻尼；叶片间相位角；颤振；叶尖间隙；能量法中图分类号：V232．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)06—1885—11跨声速压气机中，由于转子和机匣的相对运动，叶尖间隙的存在是不可避免的，端壁边界层在横向压力梯度的作用下形成间隙区域复杂流动。叶

4、尖间隙对压气机性能的影响，研究者们进行了大量的研究[1‘4]。研究了叶尖问隙对压气机压升、效率以及旋转失速的影响，并对不同间隙的间隙流动结构进行了细致的研究。对于叶轮机械气动弹性稳定性，由于叶尖部位在振动中具有相对较大的振动幅值，其对叶片气动阻尼的贡献不可低估。Bell和He[5]展示了风洞中三维振荡叶片的实验数据，显示在不同的叶尖问隙条件下，叶尖泄露涡对叶片表面非定常压力的影响表现出一致的变化规律，然而该研究中没有考虑叶片之间的相互影响，而这是影响叶轮机械叶片颤振的重要因素。Norryd和BOlcs¨J通过实验研究了叶尖间隙对平面叶栅叶片5

5、0％叶高非定常压力响应的影响，发现50％叶高气动载荷受叶尖间隙变化的影响不显著。Sanders等[73通过实验和数值方法研究了跨声速风扇叶尖间隙对其颤振边界的影响，结果显示在叶尖区域，叶尖间隙对叶片表面非定常载荷幅值以及相位的影响都非常显著，进而影响叶片的颤振边界。Huang等[83基于线性振荡叶栅，实验研究了叶尖间隙对叶片气动阻尼的影响，研究表明：叶尖间隙对叶片吸力面的影响相对压力面更明显；对于气动阻尼的影响，在不同的叶片间相位角区域，表现出不同的影响规律。杨慧等凹1通过实验研究了叶尖间隙对平面叶栅叶片气动弹性稳定性的影响，收稿日期：201

6、4．06—09：退修日期：2014-12-19；录用日期：2015-02—02；网络出版时间：2015—03—1113：44网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．20150311．1344003．htmI基金项目：国家自然科学基金(11290140，50906001)*通讯作者．Tel．：010-82338808E—mail：houap@buaa．edu．CR引羽椎武

7、YangXD．HouAP．LiML．etalInfluenceofbladetipclearanceonbladeaerodynami

8、cdamping，ntransoniccompressor(J]ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015．36(6)：1885．1895．杨晓东．侯安平．李谩露．等．叶尖阃嘹对跨声速压气机叶片气动疆尼的影响!J]．航空学报，2015，36(6)：1885-1895．航空学报研究表明：随着叶尖间隙的增加，间隙流对振荡叶栅有失稳影响，其影响范围几乎遍及整个叶高，在叶栅稳定性最差时影响最显著。总而言之，叶尖间隙对平面叶栅气动弹性稳定性的影响已经有所开展，但对于实际压气机的研究还有待深入。叶轮机械中气动弹性稳定

9、性问题的数值研究多基于能量法，基于能量观点的颤振分析方法最早由Carta[1叩提出，BendiksenLn7称其为能量法，该方法通过计算一个振动周期中非定常气动力对