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跨音速风扇叶尖间隙对叶片颤振特性的影响 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：为了研究跨音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，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 [1][2] 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，颤振就会发生 。而在转子叶尖 [3] 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不仅会使叶片表面气动功 [4] [5] 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