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跨音速风扇叶尖间隙对颤振特性的影响研究 杨俊，郑赟 （北京航空航天大学，能源与动力工程学院，北京，100191） 摘 要：为了研究跨声速风扇叶片叶尖间隙大小对叶片颤振特性的影响，以NASA rotor67 转子为例建 立了单排全环流动模型。求解定常和非定常流场使用使用雷诺平均Navier-Stokes 方程（RANS），结构动力 学方程的求解使用模态叠加法,利用时间推进法模拟颤振的整个非定常过程直到达到收敛条件,对得到的模 态位移曲线进行拟合得到对应状态的气动阻尼值。定常计算和颤振计算使用自行编制的HGFS 计算程序计 算，间隙范围从0.15%span-1.26%span。数值计算结果表明，叶尖间隙的大小与气动阻尼为非线性关系，存 在一个中间叶尖间隙使气动阻尼最大，气弹稳定性最优。 关 键 词：叶尖间隙；泄漏涡；颤振；气弹稳定性 中图分类号：V231.3 文献标识码：A 文章编号： 0 引言 随着现代航空发动机的发展，人们对航空发动机的性能提出了更高的要求。一方面要求发动机具有高推 重比、重量轻的特点，使发动机得结构更加紧凑；另一方面要求发动机具有高可靠性、长寿命以及低耗油率 等特点，导致流体诱发的叶片振动问题越来越突出和复杂。航空发动机转子叶片颤振是一种气动力引起的 自激不稳定的振动。由于流体域作用在固体域上做正功，气动力做功产生的能量转子叶片不能吸收，颤振就 [1][2] 会发生 。而在转子叶尖附近，以顶隙泄漏流、通道激波、叶片边界层及其相互影响为特征，形成了复杂 [3] 的非定常三维流动 。国内外学者对叶尖间隙流动及其对颤振特性的影响做了研究，发现叶顶泄漏流的存在 [4] [5] 不仅会使叶片表面气动功分布变化 ，而且大间隙下的叶顶泄漏流也可能是颤振发生的诱因 。但是，目前 叶尖间隙对颤振特性的影响规律还没有形成统一的认识。本文将通过分析间隙变化引起的叶片表面压力和 气动阻尼的变化来分析间隙对颤振特性的影响规律。 1 方法与模型简介 流固耦合法是现阶段对于颤振问题分析应用较多的一种方法。它考虑了叶片结构变形和绕流运动之间 的相互作用，相对于纯流体域和固体域的模拟，更加符合物理实 际。在流体域的求解中，本文采用自行编制的程序HGAE[6] [7] ，其 在流体域进行非定常 流动求解 计算器HGFS 使用雷诺平均 Navier-Stokes 方程（RANS ）的方法 来求解定常和非定常流场。 根据结构体的变 如图1，在每一个物理时间步内，在流体域上求解流体控制方 形位移对整个流 积分叶片表面上 的气动力 程来得到其作用于固体表面的压力，从而为结构计算提供此时刻 体域网格进行 的边界条件。在固体域则利用模态叠加法求解结构动力学方程， 得到结构体的变形位移。将结构体变形后的位置作为流体域在下 求解结构体的运动学 方程，计算叶片变形 一时刻的边界条件，通过网格变形技术对流体域网格进行更新。 及变形速度 在此基础上利用时间推进法模拟颤振的整个非定常过程直到达到 收敛条件。通过对得到的模态位移曲线进行拟合可以得到对应状 图 1 流固耦合方法计算流程 收稿日期： 第一作者简介：杨俊 （1990- ），男，山西晋中人，硕士，主要从事航空发动机内流和颤振研究。 态的气动阻尼值。 1.1 流体域的求解 在流体域的求解中，本文所用的程序为 HG