毕业答辩叶尖间隙对转子叶片颤振特性的影响课件

毕业论文汇报毕业论文汇报答辩答辩 叶叶尖间隙对尖间隙对转子叶片颤振转子叶片颤振特性的影响特性的影响 导师 ： 郑赟 学生 ： 杨俊 *2 一、研究背景一、研究背景 n 叶片颤振： 弹性体叶片在气流中发生自激振动 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 *3 叶片振动曲线 颤振分类 *4 一、研究背景一、研究背景 *4 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 研究现状研究现状 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 *5 二、研究内容和方案二、研究内容和方案 *6 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 二、研究内容和方案二、研究内容和方案 *7 n 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 360 n 计算方法 能量法和流固耦合法 流固耦合法流程图 NASA NASA Rotor67Rotor67风扇转子算例风扇转子算例 *8 n 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33.25kg/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最长半径16.16cm 展弦比1.56最短半径12.85cm NASA Rotor67NASA Rotor67风扇转子算例风扇转子算例 n 3.固体域网格 n 4. 叶尖间隙取值范围 n 5.边界条件 *9 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 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）一阶振动频率 138338944六面体网格16043528.98Hz 大型民用风扇转子算例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 *10 设计转速3616rpm网格点总数662381 叶片长度0.672m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%0.50%0.75%1.00% 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%给定背压98500 振动阶数振动频率 一阶99.121Hz 二阶175.1Hz 三阶225.1Hz n 4.固体振动频率 三、三、Rotor67Rotor67风扇风扇计算总结计算总结 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 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 *11 定常压力 非定常压力 局部气动功 气动阻尼 泄漏涡 3.1 3.1 叶叶尖间隙对气动性能的影响尖间隙对气动性能的影响 *12 n 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 *12 流量-效率图流量-压比图 3.1 3.1 叶叶尖间隙对气动性能的影响尖间隙对气动性能的影响 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 *13 流量-效率图流量-压比图 3.2 3.2 叶尖间隙对泄漏涡的影响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） *14 A B C 进进口 进口 叶尖中部 进口 进口 叶尖尾缘 叶尖尾缘 3.2 3.2 叶尖间隙对泄漏涡的影响叶尖间隙对泄漏涡的影响 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。 *15 A C B 进口 B C A A C B Vortex1 Vortex2 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 3.2 叶尖间隙对泄漏涡的影响叶尖间隙对泄漏涡的影响 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。 n掺混区。影响范围在通道内30% 到70%弦长附近。 *16 Ps Ss A1 B1 Ps Ss A2 B2 C2 0%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 Ss C3 B3 A3 66%弦长通道内压力分布（左）和涡量尺度（右） C5 Ps SsB4C4 100%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 3.2 叶尖间隙对泄漏涡的影响叶尖间隙对泄漏涡的影响 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。 *17 Ps Ss Ps Ss Ps Ss Ps Ss A1 A3 A2 B4 B3 B2 C3 C2 C4 图示间隙范围从左到右分别为0.31% 叶高、0.62%叶高和1.24%叶高。 图示通道截面从上到下分别为0%弦长 、33%弦长、66%弦长和100%弦长。 0%弦长 66%弦长 33%弦长 100%弦长 0.31%叶高 0.62%叶高1.24%叶高 3.3 3.3 间隙间隙对叶片对叶片表面压力的影响表面压力的影响 *18 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 Vortex1 Vortex2 Vortex Vortex+shock Pressure Suction Main stream 叶尖间隙 0.62%span， 98%叶高叶片 通道和叶片表 面压力分布 叶尖间隙 0.62%span， 95%叶高叶片 通道和叶片表 面压力分布 shock shock 从左到右依次 叶尖间隙 0.62%span， 90%叶高、 70%叶高、 50%叶高叶片 通道压力分布 3.3 3.3 间隙对叶片间隙对叶片表面压力的表面压力的影响影响 *19 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 不同间隙下 98%叶高叶片 表面 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 下98%叶高 定常压力分布 压力面压力分布 吸力面压力分布 3.3 3.3 间隙对叶片间隙对叶片表面压力的表面压力的影响影响 *20 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， 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。 3.4 3.4 叶叶尖间隙对颤振特性影响分析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。 *21 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 3.4 叶尖间隙对颤振特性影响分析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。 *22 Vortex1 Shock Vortex2 Vortex2 Shock Vortex1 吸力面 压压力 面 进进口 进进口 吸力面功分布 压力面视角流动演化 吸力面视角流动演化 压力面功分布 前缘缘 前缘缘 D C B A 3.4 3.4 叶尖间隙对颤振特性影响分析叶尖间隙对颤振特性影响分析 n 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。 *23 气动阻尼随节径变化 不同间隙下最小气动阻尼 气动阻尼随间隙变化 局部放大图 本章小结本章小结 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。 *24 四、某大型风扇计算总结四、某大型风扇计算总结 *25 n 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 4.1 4.1 特性计算与工作点选取特性计算与工作点选取 *26 n 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 。 Tip Gap (mm) Pressure Ratio Mass Flow (kg/s) Efficiency 11.46650.260%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-压比曲线 不同间隙下所选工作点的特性 流量-效率曲线 4.2 4.2 叶叶尖间隙对叶片表面压力的尖间隙对叶片表面压力的影响影响 叶尖间隙的变化对叶片表面定常压力的影响 *27 叶尖间隙0.75%chord，压力面（左）和吸力面（右 ） 叶尖间隙0.25%chord，压力面（左）和吸力面（右 ） 叶尖间隙1.00%chord，压力面（左）和吸力面（右 ） 叶尖间隙0.50%chord，压力面（左）和吸力面（右 ） Leading edge Leading edge Leading edge Leading edge Leading edge Leading edge Leading edgeLeading edge Leading edge 4.2 4.2 叶尖间隙对叶片表面压力的影响叶尖间隙对叶片表面压力的影响 n 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。 *28 50%叶高叶片表面压力时空图 50%叶高叶片表面定常压力 98%叶高压力面叶片定常压力98%叶高吸力面叶片定常压力 Pressure Suction 4.2 4.2 叶尖间隙对叶片表面压力的影响叶尖间隙对叶片表面压力的影响 *29 三阶阶振动频动频 率（f=225.10）傅里叶变变 换换 二阶振动频率（f=175.10）傅里叶变变 换换 一阶振动频率（f=99.121）傅里叶变变 换换 压压 力 面 吸 力 面 一阶振动频率（f=99.121）傅里叶变变 换换 二阶振动频率（f=175.10）傅里叶变变 换换 三阶阶振动频动频 率（f=225.10）傅里叶变变 换换 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。 4.2 4.2 叶尖间隙对叶片表面压力的影响叶尖间隙对叶片表面压力的影响 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 。 *30 叶尖间隙0.25%chord 叶尖间隙1.00%chord叶尖间隙0.75%chord 叶尖间隙0.50%chord 4.3 4.3 叶叶尖间隙对颤振特性影响分析尖间隙对颤振特性影响分析 n 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。 *31 4.3 4.3 叶尖间隙对颤振特性影响分析叶尖间隙对颤振特性影响分析 n 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。 *32 4.3 4.3 叶叶尖间隙对颤振特性影响分析尖间隙对颤振特性影响分析 n 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