时序效应对航空发动机叶片非定常激励的影响规律和机理研究

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航空发动机内部的流动是典型的非定常流动,非定常气动激励是导致叶片发生高周疲劳破坏的主要原因,因此对非定常气动激励的研究具有重要的理论和工程价值。有效降低叶片非定常激励是提高叶片及叶盘结构完整性和可靠性的有效措施,一直受到学术界和工程界的重视。以往的研究表明,时序效应除了影响航空发动机的气动效率外,对叶片的非定常气动激励也有着显著的影响,但目前对时序效应的影响规律及作用机理尚未完全清楚。本文针对二维平面叶栅和三维涡轮模型进行数值仿真,在二维平面叶栅模型的计算中,总结了尾迹与非定常气动激励的关系。通过对叶排之间尾迹相互位置的观察发现,时序效应的本质是由于相邻两静子(转子)叶排之间存在周向相位差,从而导致上游尾迹和下游势流对目标叶片的作用效果产生差异。同时,在对非定常气动激励进行频谱分析后,结果表明尾迹的向下传播的能量远高于势流向上传播的能量,且尾迹的传播距离一般不超过2级。为了进一步了解航空发动机中时序效应对于叶片非定常气动激励的影响,以二维涡轮平面叶栅为例,通过改变第一级静子叶片的位置得到5个时序位置,得到时序效应对于第二级静子叶片非定常气动激励幅值的影响达到51.3%,对于第一级转子叶片的非定常气动激励幅值的影响达到34.6%。随后,在三维2级重复级涡轮的计算中,通过改变第一级静子的周向位置得到10个不同时序,对转子叶片、静子叶片的前缘、尾缘以及不同叶高处的非定常气动激励进行分析,总结出一些基本规律:(1)随着叶高的增加,时序效应对于叶片非定常气动激励幅值的影响会增大;(2)叶片前缘处的非定常气动激励受时序效应的影响大于叶片的尾缘处;(3)静子的时序效应会影响转子叶片所受的非定常气动激励,但影响的幅度小于静子叶片本身。最后,由于航空发动机各叶排之间的叶片数目通常互质,因此会带来调制效应,进而影响同一叶排中各叶片之间非定常气动激励的均匀性,本文引入非重复级涡轮平面叶栅,研究时序-调制效应对叶片所受非定常激励均匀性的影响。首先调制效应对于叶片非定常气动激励幅值的影响可以达到87.2%,且势流所带来的调制效应要远高于尾迹,但尾迹所带来非定常气动激励幅值的绝对值远高于势流;其次,对于时序-调制效应,通过计算可知:对于单独只受尾迹或势流的叶排,这类叶排中各叶片的非定常气动激励的均匀性受时序-调制效应的影响要明显高于其他叶排。
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