非對稱導葉布局及其減振機理研究

《非對稱導葉布局及其減振機理研究》是依託北京工業大學，由張明明擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：非對稱導葉布局及其減振機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張明明
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

本項目的研究目標是通過開展上游氣流激振力在非對稱布局下對葉片振動特性影響的物理機理分析，探索葉片系統在流動誘發振動過程中的流固耦合傳遞機制和共振回響機制，研究到其一般規律，獲得高性能葉輪機非對稱布局最佳化設計技術、流固耦合一體化預測方法，促進葉輪機械新型設計技術的發展。研究的主要內容包括研究葉輪機靜子葉片非對稱布局降低振動應力的氣動設計準則，通過設計不同形式的葉片布局以最佳化流場的時空結構，在一定頻率範圍內降低氣流激振力進而控制葉片的強迫回響水平；考慮葉片振動、氣體動力學的耦合系統，探討轉子葉片在不同非對稱導葉布局下振動回響的頻率及幅值特性的變化，並獲得轉子葉片振動應力的一般性高精度數值預測方法。本項目將深入研究非對稱導葉布局設計技術與減振機理，為提升葉輪機氣動性能和結構可靠性做基礎研究。

結題摘要

針對上游尾跡引起的流動誘發葉片振動問題，對導葉進行非對稱布局設計，在一定頻率範圍內控制葉片振動回響。針對非對稱導葉布局設計技術與減振機理中的關鍵問題，本項目探索流動誘發振動過程中的流固耦合傳遞機制，研究導葉非對稱布局降低振動應力的氣動最佳化設計準則，並探討非對稱流場的氣動穩定性及不穩定流動的數學辨識方法。主要研究進展如下： 針對全周多排多葉片的複雜計算域，採用動格線技術，建立了具有多個移動邊界的葉片振動流固耦合數值模型。開展不同非對稱布局形式下葉片振動特性的數值解析，結果表明適當的非均勻導葉布局可以在一定頻率範圍內分散氣流激振力的能量，有效降低下游轉子葉片的激振力水平，從而達到減振的效果。 通過分析流場參數、葉片氣動力與振動回響之間的關係，揭示了流動誘發葉片振動的流固耦合傳遞機理，氣流激振力起到了傳遞上游流場信息的作用；提出了導葉非對稱布局降低振動應力的氣動最佳化設計準則，非對稱導葉布局的調整要依據葉片變形方向和所受氣動力方向的相位關係來確定。 針對不同研究對象採用非對稱導葉布局技術對葉片振動回響進行減振處理，結果顯示其明顯改善最佳化了流場，在一定頻率範圍內降低氣流激振力進而控制葉片的強迫回響水平，減振效果存在一個最佳柵距非均勻度範圍（4%-6%），葉片疲勞壽命提升了20.3%。 項目分析了壓氣機在非對稱流場下的氣動穩定性，非對稱周期干擾形成的周向模態波會誘使壓氣機發生氣動不穩定流動。在不同干擾下，壓氣機空間模態幅值及其靈敏度在接近不穩定邊界時均出現明顯波動。通過監測一階模態幅值靈敏度，能夠提前辨識出氣動不穩定流動的失速先兆。 項目圍繞關鍵科學問題進行攻關，基本達到了預期目標, 取得了明顯進展，為進一步的理論研究提供了的基礎性工作。研究成果用於某型高壓轉子葉片振動回響最佳化，取得顯著減振效果，提高了葉片疲勞壽命。在項目執行期間已發表論文8篇，其中國際期刊論文SCI收錄1篇，國內期刊及國際會議論文EI收錄7篇。