压气机丨北航：航空发动机压气机叶片非同步振动机理及气动布局优化研究

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摘要

正文

随着现今航空发动机向高负荷、高推重比方向的不断发展，由气动弹性诱发的压气机叶片高周疲劳问题也愈发突出，对发动机的整体性能和可靠性造成了严重的威胁。常见的叶片气动弹性问题包括由于自激效应诱发的颤振，以及与转频同步的气动激励导致的强迫响应。除此以外，近年来一种特殊的非同步振动（Non-synchronous vibration, NSV）现象正逐渐被人们关注，其表现为叶片振动频率和压气机转频不同步，并存在一定的锁频锁相等特征。由于非同步振动问题已在多个型号的发动机中造成过严重的叶片断裂故障，而对于其产生机理及振动抑制方法的研究仍不够充分，因此亟待开展更深入的探究。

针对非同步振动问题的机理及诱导因素，国内外学者进行了一定的试验与数值探索。Kielb等首先公开了在试验中观察到的非同步振动现象；随后Spiker等采用谐波平衡法对其展开研究，并指出在叶片设计中进行考虑的必要性；Clark等和Im等指出龙卷风状旋涡的传播是诱发非同步振动的原因，但没有对涡的产生机理进行进一步的揭示；Gan等发现即使在叶片不振动的情形下，流场中依然存在突出的非同步振动频率，证明了该气动激励并非由叶片自激产生；Thomassin等通过射流核心反馈理论指出叶尖泄漏流的冲击射流引发了叶片非同步振动；Sanders在某型风扇中发现激波-边界层干涉导致的叶背处涡脱落是诱发非同步振动的原因。由于非同步振动的诱导因素较为复杂，目前对振动的产生机制尚无确定的结论，并且在通过气动布局来抑制振动方面也鲜有文献涉及。

非同步振动亦属于气动弹性问题，本质上是叶片在气动力、弹性力与惯性力相互耦合下诱发的动力响应，准确描述流固耦合作用下的三维复杂流场与叶片结构动力学特征是数值分析的关键。而现有研究在非定常流场的计算上常进行不合理简化，并且在气动弹性模型中也存在流体域与固体域耦合程度不高的缺陷，极大程度上限制了揭示非同步振动物理实质的能力。具体而言，压气机内部非定常扰流形式复杂繁多，既存在由于恶劣工况导致的叶尖泄漏流、失速分离涡等不稳定流动现象，也存在由于多排转静干涉形成的尾迹激励、位势干扰等影响因素。虽然已有试验证实了压气机内部流场及叶片排振动在周向上存在差异，现有研究仍常采用“压气机轴对称”及“等叶间相位角”假设，容易忽视可能导致叶片非同步振动的非定常气动激励。此外，现有研究在流体域与固体域的耦合层面常采用单向耦合的方式，而事实上，剧烈振动下的叶片变形幅值对流场干扰程度十分显著，容易改变叶片表面原有的气动力分布，因此单向耦合不足以准确描述叶片所受气动激励及其诱发的振动特征。

流体网格

航空发动机中的流体诱发叶片振动问题十分突出，由此引发的叶片断裂故障屡见不鲜，严重影响到发动机的整体性能与可靠性。学术界一般将叶片的气动弹性问题归结为由于自激效应诱发的颤振，以及与转频同步的气动激励导致的强迫响应。而近年来在多个型号的发动机中发现一种特殊的非同步振动，其表现为叶片振动频率和压气机转频不同步，并存在锁频锁相等特征。学者们对非同步振动开展了一定的数值和试验研究，但并没有对这种形式的振动特征进行有力的概括，也没有对其产生机理进行深刻的揭示。

针对该现状，本文从实际故障出发对这一现象进行了深入分析，采用时域推进双向流固耦合的方法对压气机的全周模型进行数值模拟，旨在更全面地考虑非定常扰流的周向传播特征和叶片振动对流场的反馈。采用该模型对某型号压气机的振动机理进行分析，并通过改变结构设计参数对气动布局进行了优化研究。本文在揭示非同步振动的发生过程及诱导因素的同时，也为在工程实际中开展振动预测和抑制提供了一定的思路。

一个循环的总压强

论文创新点

1）针对非同步振动诱导叶片断裂失效问题，改进了压气机全周物理域的双向流固耦合模型，使其更加接近叶片气动弹性特征的物理本质；

2）对非同步振动发生机理进行深入探究，指出叶尖泄漏流与主流掺混后形成的通道涡是诱发该振动的根本原因；

3）提出以转子前缘截面上的流体周向相对动量作为判断振动幅度强弱的依据，为分析和预测非同步振动提供了更便捷的思路。

总结与展望

1）通过数值模拟复现了故障中的非同步振动现象，并发现该现象的诱因为叶尖泄漏流与主流掺混后形成的通道涡的激励作用，而通道涡的演变则扮演着非定常气动力的角色；

2）通过优化气动布局对流场中的激励源进行控制，从而有效实现减振，并归纳出导叶偏转角或栅距非谐程度变化时，对通道涡强度和非同步振动幅值的影响规律；

3）提出以转子前缘截面上的流体周向相对动量为判断通道涡和振动幅度强弱的参数依据，并且指出当该参数在一定范围内时模型才具有减振效果。

将来可以在更多发生过非同步振动故障的压气机中开展研究，以分析不同型号中振动机理的异同点，从而总结出更具普适性的规律。

近几年论文

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[2] 刘若阳, 侯安平, 单树军, 等. 基于DDES方法的叶栅分离旋涡的非定常流动数值研究[J]. 推进技术, 2017, 38(01): 16-26.

[3] 李剑雄, 陈颖秀, 侯安平. 非均匀间隙下进气畸变对风扇性能的影响[J]. 航空动力学报, 2020, 35(03): 532-539.

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[5] Sun T, Hou A, Zhang M, et al. Influence of the tip clearance on the aeroelastic characteristics of a last stage steam turbine[J]. Applied Sciences, 2019, 9(6): 1213.

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免责声明: 本文来源于《推进技术》作者侯安平等

来源：两机动力先行

ACT 振动疲劳断裂航空理论控制试验

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首次发布时间：2024-05-03