超臨界高轉速渦輪轉子系統流固耦合動力學研究

《超臨界高轉速渦輪轉子系統流固耦合動力學研究》是依託鄭州大學，由袁振偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超臨界高轉速渦輪轉子系統流固耦合動力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：袁振偉
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

超臨界高轉速渦輪機械是當前和今後一段時期航天、航空和能源動力等領域的核心裝置，其超臨界（壓力、溫度）、高轉速的運行參數對裝置運行的可靠性提出了嚴峻挑戰，特別是由高轉速引起的轉子系統失穩對裝置安全運行構成嚴重威脅，而在高轉速下超臨界渦輪轉子的流固耦合作用則是造成轉子系統失穩的重要因素。關於超臨界渦輪轉子流固耦合造成轉子系統失穩的機理，目前國內外的研究還很不充分。本項目提出超臨界高轉速渦輪轉子系統流固耦合動力學研究這一課題，通過理論分析、數值仿真和實驗研究，探索產生超臨界渦輪轉子流固耦合力的內在機制，從而提出能夠全面反映渦輪自身結構、周圍流體環境以及超臨界流體特性等各種因素影響的超臨界渦輪轉子流固耦合動力學模型，進而研究超臨界渦輪轉子流固耦合造成高轉速渦輪轉子系統失穩的機理，最終找到影響超臨界高轉速渦輪轉子系統穩定性的控制因素，為超臨界高轉速渦輪機械轉子動力學設計提供理論依據。

結題摘要

超臨界高轉速渦輪機械是當前和今後一段時期航天、航空和能源動力等領域的核心裝置，其高溫、高壓、高負荷、高轉速的運行參數對裝置運行的可靠性提出了嚴峻挑戰，特別是由超臨界（壓力、溫度，如超臨界汽輪機組）、高轉速（如液體燃料火箭發動機渦輪泵）運行引起的轉子系統失穩對裝置安全運行構成嚴重威脅，而在超臨界條件下渦輪的流固耦合作用（如氣流激振）則是造成轉子系統失穩的重要因素。目前，我國在超臨界渦輪轉子流固耦合研究方面遠遠落後於西方已開發國家，已成為影響我國超臨界高轉速渦輪機械的進一步發展的主要障礙，減慢了我國航空、航天等高科技領域快速向前發展的步伐。本項目提出“超臨界高轉速渦輪轉子系統流固耦合動力學研究”這一課題，重點研究了超臨界渦輪轉子流固耦合動力學機制和超臨界高轉速渦輪轉子系統的流固耦合動力學特性。通過理論分析和實驗研究提出了考慮渦輪盤面傾斜和軸向間隙等因素的超臨界渦輪轉子流固耦合動力學綜合機制，建立了符合上述綜合機制的全自由度超臨界渦輪轉子流固耦合動力學模型。通過數值仿真和實驗，並藉助波形圖、頻譜圖、軸心軌跡、Poincaré映射圖及分岔圖分析工具，研究了超臨界渦輪系統有關流固耦合參數對高轉速轉子系統動力學性能的影響。其中，所建立的全自由度超臨界渦輪轉子流固耦合動力學模型是本課題研究的一項重要成果。研究結果表明，渦輪偏心、盤面傾斜和軸向間隙在超臨界高轉速條件下對渦輪轉子系統動力學性能會產生重要影響，是引起轉子系統動力學失穩的重要因素。研究還發現，雖然渦輪流固耦合動力學模型具有弱非線性，但是在高轉速條件下會使轉子系統產生非常強的非線性特徵，非常小的擾動就會使整個系統快速失去平衡。這項研究成果為解決長期以來一直困擾著學術和工程界的渦輪機械氣流激振尤其是非線性氣流激振問題向前邁出了重要一步，為我國超臨界高轉速渦輪機械，尤其是航天渦輪發動機轉子系統的動力學設計和製造提供了重要的理論支持，對我國超臨界高轉速渦輪機械的發展具有重要意義。