大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

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1、2017年7月第43卷第7期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJuly2017V01．43No．7http：7fbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2016．0912大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性倪奇峰1，侯安平1’2一，刘若阳1，周拜豪3，张明明4(1．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级重点实验室，北京100083；2．先进航空发动机协同创新中心，北京100

2、083；3．中国燃气涡轮研究院，成都610500；4．北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100074)摘要：为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题，对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明，在近失速状态，转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性，其会对下游流场产生影响；第2个分离区主要表现出周向传播特性，其会作用于周向相邻的转子叶片，对转子叶排自身产生激励作用，进而影响叶片表面压力分布，引起叶片较强的动力响应，对叶片结构强度的影响不

3、可忽略。非定常／流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等，在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视，以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。关键词：分离区脱落和传播；非定常／流固耦合；数值模拟；叶片振动；动力响应中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)07．1410-09随着现代航空对于航空发动机性能需求不断苛刻，要求压气机不仅要具有良好的设计点性能，也要有良好的低转速性能⋯。在某些无进口导叶的压气机进口级，转子攻角对于转速变化比较敏感，低转速运行会使转子处于较大正攻角的流动状态，易形成严重的叶背分离。当工作

4、状态向失速边界靠近时，就容易发生叶背分离区的脱落与传播现象，流场强烈脉动，进而引起叶片结构的不良振动响应，对压气机气动和结构都产生不利影响。为了揭示此类分离流动的非定常特性及其对于气动、结构的影响，国内外学者进行了许多研究工作。Valkov和Tan‘2。通过数值模拟捕捉到了压气机叶片叶背流向旋涡的结构，并研究了其对于流场性能的影响。Gbadebo等po进行了有关三维分离区的实验和数值研究，对分离流的结构做了分类与展示，指出基于三维时均Navier．Stokes方程的定常CFD计算可以较好地模拟转子附近的分离区流动。Mailach等¨。利用非定常CFD对转子通道内叶尖泄漏涡

5、和分离流的传播过程进行了数值计算，并探讨了上游尾迹对其影响。Hah等"。对转子叶片排近失速状态进行了全周非定常计算，证明了近失速流场受叶尖附近分离流动的影响很大，并进一步采取了大涡模拟技术，更加细致地捕捉到了旋涡的非定常结构与特性。Kielb等。6。研究了叶轮机在周向流动不稳定状态下的叶片非同步振动响应问题，指出叶背分离的脱落是造成非同步振动的重要原因之一。Mailach和Vogeler¨。通过实验对旋转失速过程中压气机叶片表面气动力对于分离流的瞬态响应进收稿日期：2016-12-02；录用日期：2017-01—13：网络出版时间：2017-03-0914：18网络出版地

6、址：kns．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20170309．1418．001．html基金项目：国家自然科学基金(11290140)}通讯作者：E-mail：houap@buaa．edu．cn引用格式：倪奇峰，侯安平，刘若阳，等．大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性ⅣJ．北京航空航天大学学报，2017，43f7)：1410·1418．NIQF，HOUAP，LIURY，eta1．Separationflowandbladedynamicresponsecharacteristicofcompressorathighattackanglel

7、j3．JournalofBeringUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017．43(7)：1410．1418(inChinese)．第7期倪奇峰，等：大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性141l行了研究。Holzinger等¨1通过实验研究了跨声速压气机转子上发生的2类自激振动现象，旋转不稳定诱导自激振动和颤振，并通过非轴对称处理机匣成功地抑制了颤振的发生，全面总结了发生在跨声速压气机转子上的不同类型的叶片振动，通过研究振动现象的内在机理，对理解流动诱发叶片振动做出了贡献。随着