《毕业答辩《叶尖间隙对转子叶片颤振特性的影响》》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业答辩《叶尖间隙对转子叶片颤振特性的影响》（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、毕业论文答辩汇报叶尖间隙对转子叶片颤振特性的影响导师导师 ：郑赟郑赟学生 ：杨杨俊2015/12/162 某大型风扇计算总结某大型风扇计算总结某大型风扇计算总结某大型风扇计算总结 rot67rot67rot67rot67风扇计算总结风扇计算总结风扇计算总结风扇计算总结 研究内容和方案研究内容和方案研究内容和方案研究内容和方案 研究背景研究背景研究背景研究背景 结论与展望结论与展望结论与展望结论与展望目录目录目录目录一、研究背景n 叶片颤振：弹性体叶片在气流中发生自激振动（发作时间短，破坏性极强）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
2、振n 影响因素：叶片间相位角；振动模态；折合频率等n 危害： 叶片振动事故；高/低周疲劳失效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2015/12/163叶片振动曲线颤振分类2015/12/164一、研究背景2015/12/164顶部 分离 涡二次 涡叶顶 泄漏 涡通道 激波通道 涡附面 层叶尖 间隙气动 负荷颤振 特性叶尖泄漏流三涡结构Kang模型叶尖泄漏流三涡结构Kang模型研究现状nWang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，结果表明，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。同时表明
3、 叶尖间隙大小对气弹稳定性也是一个重要的影响因素。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。计算结果表明，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，颤振更容易发生n胡宗安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。实验结果表明，对间隙 0.05mm的叶尖间隙啊下，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
4、性最差时（IBPA=30），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。2015/12/165气弹稳 定性研 究间隙流动 对颤振影 响间隙流 动研究二、研究内容和方案2015/12/166n 泄漏流分区及影响范围n 叶表定常压力的变化n 叶表非定常压力的变化n 叶表局部气动功的分布n 气动阻尼变化规律叶尖间隙 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
5、影响二、研究内容和方案2015/12/167n 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/ANSYSY 2. 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NASA Rotor67风扇转子算例2015/12/168n 1. rotor67风扇转子参数n 2.流体域网格网格点总数515603流道径向层数73叶尖间隙径向层数19设计转速16043rpm进口叶尖速度429.0m/s设计流量33.
6、25kg/s进口叶尖马赫数1.38设计压比1.63进口半径比0.375设计叶尖间隙1.016mm出口半径比0.478设计叶片数22叶根稠度3.11展弦比1.56叶尖稠度1.29NASA Rotor67风扇转子算例n 3.固体域网格n 4. 叶尖间隙取值范围n 5.边界条件2015/12/169大小（mm） 0.25 0.5 0.75 1 (设计)1.52 叶高% 0.15% 0.31% 0.46% 0.62% 0.93%1.24% 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
7、clearance in high-speed fan stallJJournal of Turbomachinery，1993，115：1（1）：28-39计算类型间隙范围工况定常计算 0.15%叶高1.24%叶高背压90000106500能量法计算0.62%叶高最高效率点后，换算流量0.95流固耦合法计算0.15%叶高1.24%叶高最高效率点后，换算流量0.95节点数单元数单元类型转速（rpm）转轴138338944六面体网格16043Z轴大型民用风扇转子算例n 1.流体域网格n 2.间隙范围n 3.边界条件2015/12/1610设计转速3616rpm网格点总数662381叶片长度0.6
8、72m流道径向层数73叶尖弦长0.395m叶尖间隙径向层数21间隙大小1mm2mm3mm4mm间隙/叶尖弦长0.25%叶尖弦长 0.50%叶尖弦长 0.75%叶尖弦长 1.00%叶尖弦长计算类型间隙范围工况定常计算 0.25%1.00%背压88000105700流固耦合法计算0.25%1.00%近最高效率点，给定背压98500三、Rotor67风扇计算总结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
9、 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2015/12/1611定常计算流固耦合非 定常计算能量法和 流固耦合法3.1 定常计算与实验结果对比2015/12/1612n 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2015/12/1612流量-效率图流量-压比图3.1 叶尖间隙大小对效率、压比的影响叶尖间隙增大，压气机转子最大效率下降，最大压比减小 选定对比的工作
10、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2015/12/1613流量-效率图流量-压比图3.2 叶尖间隙对泄漏涡的影响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）2015/12/1614ABC进口进口叶尖中部进口进口叶尖尾缘叶尖尾缘3.2 叶尖间隙对泄漏涡的影响n 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
11、流在此处 掺混，并且与通道激波相遇， 发生强烈的涡波干涉。2015/12/1615ACB进口BCAACBVortex1Vortex2进口进口进口通道内熵增图通道内涡量尺度叶尖部位流线叶尖部位流管3.2 叶尖间隙对泄漏涡的影响n 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。2015/12/1616Ps SsA1B1Ps SsA2B2C20%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）Ps SsC3B3
12、A366%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）133%弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右）3.2 叶尖间隙对泄漏涡的影响n 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. 不同间隙下，泄漏涡影响 范围不同，涡波干涉强度 也不同。2015/12/1617Ps SsPs SsPs SsPs SsA1A3A2B4B3B2C3C2C4图图示间间隙范围围从左到右分别为别为 0.31%叶高、0.62%叶高和1.24%叶高
13、。图图示通道截面从上到下分别为别为 0%弦长长、33%弦长长、66%弦长长和100%弦长长。3.3 间隙对叶片表面压力的影响2015/12/1618叶尖间隙0.31%span，吸力面（左）和压力面（右 ）叶尖间隙1.24%span，吸力面（左）和压力面（右 ）叶尖间隙0.62%span，吸力面（左）和压力面（右 ）进口进口进口进口进口进口激波激波激波Vortex1Vortex2VortexVortex+shockPressureSuctionMain stream叶尖间隙 0.31%span， 98%叶高叶片 通道和叶片表 面压力分布叶尖间隙 0.31%span， 95%叶高叶片 通道和叶片表
14、 面压力分布shockshock从左到右依次 叶尖间隙 0.31%span， 90%叶高、 70%叶高、 50%叶高叶片 通道压力分布3.3 间隙对叶片表面压力的影响2015/12/1619叶尖间隙为0.15%span叶尖间隙为1.24%span叶尖间隙为0.62%span叶尖间隙为0.31%span不同间间隙下 98%叶高叶片 表面压压力时时 空图图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. 间隙变大对叶表非定 常压力变化为非线性 影响。0.15%span1. 24%span间隙 下98%叶高压 力面（上）和 吸力面（下） 压力分布压力面压力分布
15、吸力面压力分布3.3 间隙对叶片表面压力的影响2015/12/1620压力面幅值吸力面相位吸力面幅值压力面相位不同间隙下98%叶高叶片表面压 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， 周期性压力波动增强；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 近激波强度减弱。 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
16、的射流使叶顶附近激波强度减 弱。3.4 叶尖间隙对颤振特性影响分析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。2015/12/1621能量法计算模态位移曲线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位移曲线3.4 叶尖间隙对颤振特性影响分析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
