一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法

专利名称：一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202410444674.4

专利申请（专利权）人：中国航发四川燃气涡轮研究院
权利人地址：四川省成都市新都区学府路999号

专利发明（设计）人：程荣辉,汪松柏,霍嘉欣,赵星,曹廷云,陈维苇,张学宝

专利摘要：本申请提供了一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，属于压气机设计技术领域，包括建立多级压气机全环非定常数值仿真模型、转子叶片有限元模型，获取转子叶片第一振动应力、非整阶次振动工况下转子叶片的动频FS；调节部分可调静叶安装角度进行可调静叶周向失谐设计，建立非定常数值仿真模型，获取气动性能和转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR；重复失谐设计，直至FR和FS满足预设要求；获取可调静叶周向失谐下转子叶片的第二振动应力，若气动性能和第二振动应力满足设计要求，对可调静叶的安装角度进行相适应的改变。本申请实现了非整阶次振动减振设计，可避免可调静叶叶型的改变，具有良好实用价值和广阔应用前景。

主权利要求：
1.一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，包括：建立多级压气机全环非定常数值仿真模型以及转子叶片的有限元模型，获取转子叶片的第一振动应力；
基于所述转子叶片的有限元模型，获取非整阶次振动工况下转子叶片的动频FS；
基于所述第一振动应力通过调节部分可调静叶安装角度进行可调静叶周向失谐设计，基于可调静叶的安装角度沿周向划分为多个扇区，相邻两个所述扇区内的所述可调静叶安装角度不同；
基于所述多个扇区的可调静叶，建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，获取可调静叶周向不同失谐下多级压气机气动性能和转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR；
重复进行所述可调静叶周向失谐设计，直至所述FR和所述FS满足预设要求；
基于满足所述预设要求的所述可调静叶周向失谐设计，获取可调静叶周向失谐下转子叶片的第二振动应力，判断所述气动性能和所述第二振动应力是否满足设计要求；
基于满足设计要求的所述可调静叶周向失谐设计，对各所述扇区内的可调静叶的安装角度进行相适应的改变，完成可调静叶周向失谐的压气机结构设计。
2.根据权利要求1所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，所述建立多级压气机全环非定常数值仿真模型以及转子叶片的有限元模型，获取转子叶片的第一振动应力，包括：根据所述多级压气机全环非定常数值仿真模型，针对压气机转子叶片出现非整阶次振动的工况进行压气机非定常流场数值仿真，获得第一仿真结果；
根据所述第一仿真结果，获取不同时刻下转子叶片表面压力分布，并形成不同时刻的第一压力载荷数据；
基于所述转子叶片的有限元模型，将所述不同时刻的第一压力载荷数据按照时间顺序施加至叶片固体表面，进行转子叶片非定常气流激励下的谐响应分析，获取所述转子叶片的第一振动应力。
3.根据权利要求1所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，所述建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，获取可调静叶周向不同失谐下多级压气机气动性能和转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR，包括：建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，获得第二仿真结果；
对所述第二仿真结果进行后处理，获得所述气动性能；
基于所述第二仿真结果，提取不同时刻下转子叶片表面压力分布并形成不同时刻的第二压力载荷数据；
将所述第二压力载荷数据通过快速傅里叶变换的方法获取相对坐标系下所述转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR。
4.根据权利要求1所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，同一个所述扇区内的所有可调静叶安装角度均设置为偏关状态、偏开状态或原始叶片状态。
5.根据权利要求3所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，同一个所述扇区内的不同可调静叶的安装角偏开角度不同，和/或同一个所述扇区内的不同可调静叶的安装角偏关角度不同。
6.根据权利要求1所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，所述对各所述扇区内的可调静叶的安装角度进行相适应的改变，包括：在所述可调静叶的转轴上设置摇臂结构；
通过转动摇臂结构，带动所述可调静叶进行旋转，直至达到所设计的安装角度。
7.根据权利要求6所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，所述摇臂结构包括夹紧设置在所述转轴上的爪部以及用于外部施力的杆部，所述爪部与所述杆部一体化设计。
8.根据权利要求1所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，所述FR和所述FS满足的预设要求为：(FR‑FS)/FS＞10%。
9.根据权利要求1‑8任一项所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，所述多级压气机全环非定常数值仿真模型通过CFD软件建立。
10.根据权利要求1‑8任一项所述的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，其特征在于，所述转子叶片的有限元模型通过三维几何建模软件进行建立。 说明书 : 一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法技术领域[0001] 本申请涉及压气机设计技术领域，尤其涉及一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法。背景技术[0002] 先进航空发动机对压气机部件的性能要求不断提高，轻量化设计使得压气机设计气动负荷不断提高，级间采用更小的轴向间距。转子叶片在承受离心载荷的同时，还承受上下游静子尾迹和势流以及叶尖分离涡等非定常气动载荷，使得叶片振动应力增大，叶片由于流致振动导致的高周疲劳失效问题越来越突出。因此，为了保证压气机部件的安全运行，叶片的设计必须考虑兼顾气动、结构和强度性能。[0003] 压气机叶片的流致振动本质是不稳定流体和叶片结构耦合的气动弹性过程，压气机叶片常见的气动弹性问题主要包括强迫振动和非整阶次振动。强迫振动主要来自压气机圆周变化的气动激励，如上游叶片尾迹和叶排间势流产生的周期性非定常气动力，其特点是气流激励频率与转频呈整数倍关系。非整阶次振动主要来自转子叶尖周向不稳定流动的气流激励，由于不稳定流动本身绕转子运动，其气流激励频率与转频不同步，呈非整数倍关系，同时非整阶次振动还具有锁频锁相特征，可产生较大的振动应力，对叶片可靠性和安全性构成严重的威胁。相比强迫振动，由于周向不稳定气流激励频率不能事先给出，使得非整阶次振动在工程上更难预测，因而急需发展转子叶片非整阶次振动减振设计方法。发明内容[0004] 有鉴于此，本申请实施例提供一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，至少部分解决现有技术中存在的非整阶次振动在工程上预测难的问题。[0005] 本申请实施例提供一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，包括：[0006] 建立多级压气机全环非定常数值仿真模型以及转子叶片的有限元模型，获取转子叶片的第一振动应力；[0007] 基于所述转子叶片的有限元模型，获取非整阶次振动工况下转子叶片的动频FS；[0008] 基于所述第一振动应力通过调节部分可调静叶安装角度进行可调静叶周向失谐设计，基于可调静叶的安装角度沿周向划分为多个扇区，相邻两个所述扇区内的所述可调静叶安装角度不同；[0009] 基于所述多个扇区的可调静叶，建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，获取转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR；[0010] 重复进行所述可调静叶周向失谐设计，直至所述FR和所述FS满足预设要求；[0011] 基于满足所述预设要求的所述可调静叶周向失谐设计，获取可调静叶周向失谐下转子叶片的第二振动应力，判断可调静叶周向失谐下压气机气动性能和所述第二振动应力是否满足设计要求；[0012] 基于满足设计要求的所述可调静叶周向失谐设计，对各所述扇区内的可调静叶的安装角度进行相适应的改变，完成可调静叶周向失谐的压气机结构设计。[0013] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述建立多级压气机全环非定常数值仿真模型以及转子叶片的有限元模型，获取转子叶片的第一振动应力，包括：[0014] 根据所述多级压气机全环非定常数值仿真模型，针对压气机转子叶片出现非整阶次振动的工况进行压气机非定常流场数值仿真，获得第一仿真结果；[0015] 根据所述第一仿真结果，获取不同时刻下转子叶片表面压力分布，并形成不同时刻的第一压力载荷数据；[0016] 基于所述转子叶片的有限元模型，将所述不同时刻的第一压力载荷数据按照时间顺序施加至叶片固体表面，进行转子叶片非定常气流激励下的谐响应分析，获取所述转子叶片的第一振动应力。[0017] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，获取可调静叶周向不同失谐下多级压气机气动性能和转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR，包括：[0018] 建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，获得第二仿真结果；[0019] 对所述第二仿真结果进行后处理，获得所述气动性能；[0020] 基于所述第二仿真结果，提取不同时刻下转子叶片表面压力分布并形成不同时刻的第二压力载荷数据；[0021] 将所述第二压力载荷数据通过快速傅里叶变换的方法获取相对坐标系下所述转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR。[0022] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，同一个所述扇区内的所有可调静叶安装角度均设置为偏关状态、偏开状态或原始叶片状态。[0023] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，同一个所述扇区内的不同可调静叶的安装角偏开角度不同，和/或同一个所述扇区内的不同可调静叶的安装角偏关角度不同。[0024] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述对各所述扇区内的可调静叶的安装角度进行相适应的改变，包括：[0025] 在所述可调静叶的转轴上设置摇臂结构；[0026] 通过转动摇臂结构，带动所述可调静叶进行旋转，直至达到所设计的安装角度。[0027] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述摇臂结构包括夹紧设置在所述转轴上的爪部以及用于外部施力的杆部，所述爪部与所述杆部一体化设计。[0028] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述FR和所述FS满足的预设要求为：[0029] (FR‑FS)/FS＞10%。[0030] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述多级压气机全环非定常数值仿真模型通过CFD软件建立。[0031] 根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述转子叶片的有限元模型通过三维几何建模软件进行建立。[0032] 有益效果：[0033] 本申请实施例中的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，通过计算多级压气机全环非定常的气动性能和转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率，利用有限元软件计算叶片振动频率和振动应力，获取原始可调静叶和失谐可调静叶下转子叶片的振动应力，实现转子叶片非整阶次振动的减振设计。同时本发明还实现了可调静叶安装角的周向失谐，该方法可避免可调静叶叶型的改变，具有良好的实用价值和广阔的应用前景。附图说明[0034] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。[0035] 图1为根据本发明一实施例的可调静叶安装角度为偏开或偏关的示意图；[0036] 图2为根据本发明一实施例的可调静叶的周向扇区布置示意图；[0037] 图3为根据本发明一实施例的可调静叶的安装角度调节示意图。[0038] 图中：1、原始静叶；2、原始静叶摇臂；3、失谐静叶摇臂。具体实施方式[0039] 下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。[0040] 以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。[0041] 要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。[0042] 还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。[0043] 另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。[0044] 本申请实施例提供了一种基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，并提供了可调静叶周向失谐的压气机结构设计实现方法，可应用于压气机转子叶片非整阶次振动的减振设计，具有良好的实用价值和广阔的应用前景。下面参照图1至图3进行详细描述。[0045] 参照图1，本实施例的基于可调静叶周向失谐的非整阶次振动减振设计方法，包括以下步骤：[0046] 步骤1、建立多级压气机全环非定常数值仿真模型以及转子叶片的有限元模型，获取转子叶片的第一振动应力，第一振动应力为转子叶片的初始振动应力。[0047] 具体的，通过CFD软件建立多级压气机全环非定常数值仿真模型，针对压气机转子叶片出现非整阶次振动的工况开展压气机非定常流场数值仿真，获得第一仿真结果；根据所述第一仿真结果，获取不同时刻下转子叶片表面压力分布，并形成不同时刻的第一压力载荷数据；其中，第一仿真结果为非定常流场仿真结果，第一压力载荷数据为初始压力载荷数据；[0048] 通过三维几何建模软件建立转子叶片的有限元模型，基于所述转子叶片的有限元模型，将所述不同时刻的初始压力载荷数据按照时间顺序施加至叶片固体表面，进行转子叶片非定常气流激励下的谐响应分析，获取所述转子叶片的振动应力。[0049] 步骤2、基于所述转子叶片的有限元模型，获取非整阶次振动工况下转子叶片的动频FS。[0050] 具体的，基于转子叶片的有限元模型，利用有限元软件开展叶片模态分析，获取非整阶次振动工况下转子叶片的动频FS和共振转速图。[0051] 步骤3、基于所述第一振动应力通过调节部分可调静叶安装角度进行可调静叶周向失谐设计，基于可调静叶的安装角度沿周向划分为多个扇区，相邻两个所述扇区内的所述可调静叶安装角度不同。[0052] 具体的，通过部分可调静叶安装角的偏关状态或偏开状态实现可调静叶周向的失谐设计，建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，计算周向不同扇区失谐和不同失谐量的非定常流场，可调静叶安装角偏关或偏开的失谐可参考图1，可调静叶周向不同扇区的失谐形式可参考图2，图2中的扇区布置为扇区1中的叶片均设置为角度失谐偏关状态，扇区2中的叶片设置为原始叶片状态，即叶片角度不调整，扇区3中的叶片设置为角度失谐偏开的状态，扇区4中的叶片设置为原始叶片状态。角度失谐偏关状态和角度失谐偏开状态下的叶片具体位置变参照图1所示。[0053] 在具体设计时，同一个所述扇区内的所有可调静叶安装角度均设置为偏关状态、偏开状态或原始叶片状态。[0054] 进一步的，同一个所述扇区内的不同可调静叶的安装角偏开角度不同，和/或同一个所述扇区内的不同可调静叶的安装角偏关角度不同。[0055] 步骤4、基于所述多个扇区的可调静叶，建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，获取可调静叶周向不同失谐下多级压气机气动性能和转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR。[0056] 具体的，通过CFD软件建立多级压气机可调静叶周向失谐的非定常数值仿真模型，获得第二仿真结果，第二仿真结果为可调静叶周向失谐非定常流场仿真结果；[0057] 对所述第二仿真结果进行后处理，获得可调静叶周向不同失谐下多级压气机气动性能；[0058] 基于所述第二仿真结果，提取不同时刻下转子叶片表面压力分布并形成不同时刻的第二压力载荷数据，第二压力载荷数据为可调静叶周向失谐下压力载荷数据；[0059] 将所述第二压力载荷数据通过快速傅里叶变换的方法获取相对坐标系下所述转子叶尖不稳定气流非整数倍激励频率FR。[0060] 步骤5、重复进行所述可调静叶周向失谐设计，直至所述FR和所述FS满足预设要求。[0061] 具体的，所述FR和所述FS满足的预设要求为：[0062] (FR‑FS)/FS＞10%。[0063] 步骤6、基于满足所述预设要求的所述可调静叶周向失谐设计，获取可调静叶周向失谐下转子叶片的第二振动应力，判断可调静叶周向失谐下压气机气动性能和所述第二振动应力是否满足设计要求，第二振动应力为可调静叶周向失谐下振动应力。[0064] 步骤7、基于满足设计要求的所述可调静叶周向失谐设计，对各所述扇区内的可调静叶的安装角度进行相适应的改变，完成可调静叶周向失谐的压气机结构设计。[0065] 具体的，对各所述扇区内的可调静叶的安装角度进行相适应的改变，可通过以下步骤进行实现：[0066] 在所述可调静叶的转轴上设置摇臂结构；通过转动摇臂结构，带动所述可调静叶进行旋转，直至达到所设计的安装角度。其中，摇臂结构参照图3所示，原始静叶1的位置如图所示，摇臂结构包括夹紧设置在叶片的转轴上的爪部，以及用于外部施力的杆部，爪部和杆部一体化设计，通过借助外部工具对杆部施加作用力，使原始静叶摇臂2变动到失谐静叶* *摇臂3的位置，此时静叶的角度由α变化为α，α>α,从而完成可调静叶的失谐调节。[0067] 本申请的实施例，基于计算流体动力学和结构动力学仿真软件对原始可调静子和周向失谐可调静子的非定常流场和叶片结构响应进行数值仿真，利用周向失谐可调静叶抑制下游转子叶尖不稳定流动的周向传播，进而实现转子叶片非整阶次振动的减振。同时利用非轴对称摇臂结构设计，通过改变周向失谐静叶摇臂结构的夹角实现了静叶安装角的周向失谐，实现可调静叶的周向失谐，该结构设计无需改变周向失谐可调静叶的叶型，具有良好的实用价值和广阔的应用前景。[0068] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-04-15

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN118036417B