叶轮机械叶片颤振研究的进展与评述

颤振一类气动弹性稳定性问题是叶轮机械设计者关心的主要问题之一. 本文对叶轮机械叶片颤振模型研究的进展进行了回顾, 包括非定常气动模型、结构模型以及颤振的预测方法等内容. 通过对颤振模型研究的介绍, 讨论了不同方法处理颤振这类气动弹性稳定性问题的优缺点. 提出了关于颤振研究目前的不足和部分难点, 认为流固耦合模型的研究值得进一步重点关注.      

航空发动机压气机叶片振动频率与温度的关系

以某型航空发动机压气机第六级叶片为例，研究了温度对叶片振动频率的影响。发现由于温度的升高导致了材料弹性模量的下降，而弹性模量的下降又导致了叶片在发动机一定的转速范围内，除一阶振动外，其余各阶振动的动频均小于静频，因此与通常的工程处理方法不同，研究压气机叶片的动频时，应考虑温度的影响。     

航空发动机整机耦合动力学模型及振动分析

面向航空发动机整机振动, 建立了航空发动机转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型. 该模型具有如下特点: (1)考虑转子、滚动轴承及机匣之间的耦合作用; (2)考虑了实际航空发动机的弹性支承及挤压油膜阻尼效应; (3)将转子考虑为等截面自由欧拉梁模型, 运用模态截断法进行分析; (4)考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(Varyingcompliance)振动; (5)考虑了转子与机匣之间的碰摩故障. 运用数值积分方法研究了航空发动机的整机振动规律, 包括: 滚动轴承VC振动分析、弹性支承刚度对耦合系统临界转速的影响、转轴模态截断阶数NM对系统响应的影响分析、挤压油膜阻尼器参数对系统响应的影响分析、突加不平衡的瞬态响应分析以及转静碰摩故障特性分析等.      

层状地基中单桩扭转振动特性分析

采用积分变换和Muki的方法求解了层状地基中单桩的扭转振动问题.在分析过程中,首先对基本控制方程进行Hankel变换,建立了单层地基的初参数解答和刚度矩阵,得到层状地基的递推矩阵;然后利用递推矩阵、边界条件和桩-土变形协调条件建立了层状地基中单桩扭转振动问题的基本积分方程并进行数值求解.文末数值算例给出了退化的层状地基中刚性单桩的扭转变形,其结果与已有经典解答吻合良好.同时,并研究了两层地基中单桩的扭转动力响应,分析了桩-土参数对动力响应的影响,所得结论对工程实践和桩基扭转波检测有一定的指导意义.     

含间隙非线性的大展弦比机翼/外挂系统的气弹响应分析

综合考虑大展弦比机翼的柔性变形和外挂与机翼连接处的间隙非线性,建立了机翼/外挂系统的气动弹性力学模型。采用非定常气动力,根据Lagrange方程推导了大展弦比机翼/外挂系统的运动微分方程。运用伽辽金法进行了离散,通过数值模拟研究了系统的气动弹性响应及其稳定性。结果表明:系统极限环振动的临界速度随间隙的增大而减小,随间隙初偏值的增加而增大;几何非线性可大幅降低系统极限环振动的幅值;随流速的增加,系统呈现出复杂的响应,周期运动与混沌运动相间出现;最后系统发生屈曲。     

振动叶栅非定常气动力的数值分析及应用

利用双时间方法结合运动网格求解Navier-Stokes方程，完成了振动叶栅非定常气动力的数值分析。运用流动显示和频谱分析技术，研究了振动叶栅非定常绕流与气动力的特征。根据能量法原理，对振动叶栅的气动弹性稳定性进行了分析。     

气液两相段塞流作用下管道流固耦合动力学分析

气液两相流的不稳定流动和管道动力响应之间的耦合作用是引起管道振动问题的直接原因。本文通过轻烃回收重沸器管道的流固耦合动力学数值仿真和气液两相流理论分析,深入研究了管道振动内在机理,发现了垂直管段中段塞流是引起管道振动的原因。通过研究现场工况中不同气液组分下段塞流的流动规律,进而进行了管道流固耦合动力学分析,获得了不同工况下管道振动响应。数值结果表明:稳定段塞流和不稳定段塞流冲击作用下管道振动显著;在强烈段塞流作用下,管道振动峰值更加显著,振动峰值超过10mm,振幅峰峰值也超过8mm。研究揭示了气液两相段塞流作用下管道的振动特性,为这类典型管道振动问题的治理提供了理论和方法依据。     

基于模态叠加法的航空发动机轮盘振动特性研究

以某型航空发动机轮盘为研究对象,分别通过数值模拟和试验测试获得结构特定振型下的模态参数;提出采用模态置信度开展模态振型的相关度评价;基于模态叠加法开展轮盘结构谐响应分析,并通过理论推导和数值仿真开展结构阻尼和激励量值对振动响应的影响规律研究。结果表明,在轮盘结构三节径振型处,共振频率计算结果与测试结果相差1.7%,验证了模态测试的正确性。模态振型置信度为0.999,说明模态测试与仿真结果吻合较好。通过谐响应分析得到轮盘最危险点的幅频曲线,并基于数值仿真验证了轮盘结构振动响应幅值与模态阻尼呈反比、与激励量值呈正比的理论推导的正确性。     

考虑振动非平衡的可压缩库埃特流动及其传热

新型近空间高超声速飞行器大多具有尖头薄翼的外形,驻点下游机身附近的强剪切流动及气动加热具有显著的非平衡特征.由于加热总量预估和实验测热数据辨识的需要,工程上越来越关注强剪切非平衡流动及气动加热预测问题.本文结合理论建模和直接模拟蒙特卡洛数值模拟,研究了振动非平衡条件下的可压缩库埃特流动的气动力/热问题.首先基于参考温度...     

基于压电纤维复合材料的旋转叶片主动控制

旋转叶片结构的振动失效占据了航空发动机整机故障的相当比重. 发展针对旋转叶片结构的减振技术对于减轻叶片重量, 提升叶片性能, 延长叶片寿命具有重要意义. 通过引入压电纤维复合材料(macro fiber composite, MFC)传感器和作动器, 研究预变形旋转叶片2:1内共振的主动控制. 建立考虑时滞效应的旋转叶片比例微分闭环控制系统运动方程. 通过摄动分析推导出受控叶片的演化方程, 并结合延拓法揭示速度增益、位移增益、时滞量等系统参数对受控系统稳态响应及稳定性的影响规律. 理论研究结果与数值结果得到相互验证. 研究发现时滞量对系统稳定性影响显著, 当时滞超过某临界值时, 演化方程原有的平衡点失稳, 闭环受控系统将缓慢进入一个大振幅的周期运动, 从而丧失控制效果. 位移增益存在一个范围使得系统出现多值稳态响应, 进而破坏了增益平面内系统稳定区和非稳定区域的直线边界. 不恰当的速度增益和位移增益会给受控系统引入新的共振. 研究结果为叶片结构的减振提供了理论基础.      

2:1内共振条件下变转速预变形叶片的非线性动力学响应

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲. 另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形. 本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为. 考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成. 应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性. 运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在 2:1 内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应. 详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在 2:1 内共振下对方程的影响. 对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证. 结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在 2:1 内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.      

NONLINEAR DYNAMIC RESPONSE OF PRE-DEFORMED BLADE WITH VARIABLE ROTATIONAL SPEED UNDER 2:1 INTERNAL RESONANCE$^{\bf 1)}$

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲. 另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形. 本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为. 考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成. 应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性. 运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在 2:1 内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应. 详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在 2:1 内共振下对方程的影响. 对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证. 结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在 2:1 内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.     

Nonlinear vibrations of blade with varying rotating speed

This paper investigates the nonlinear dynamic responses of the rotating blade with varying rotating speed under high-temperature supersonic gas flow. The varying rotating speed and centrifugal force are considered during the establishment of the analytical model of the rotating blade. The aerodynamic load is determined using first-order piston theory. The rotating blade is treated as a pretwist, presetting, thin-walled rotating cantilever beam. Using the isotropic constitutive law and Hamilton??s principle, the nonlinear partial differential governing equation of motion is derived for the pretwist, presetting, thin-walled rotating beam. Based on the obtained governing equation of motion, Galerkin??s approach is applied to obtain a two-degree-of-freedom nonlinear system. From the resulting ordinary equation, the method of multiple scales is exploited to derive the four-dimensional averaged equation for the case of 1:1 internal resonance and primary resonance. Numerical simulations are performed to study the nonlinear dynamic response of the rotating blade. In summary, numerical studies suggest that periodic motions and chaotic motions exist in the nonlinear vibrations of the rotating blade with varying speed.     

结构塑性动力响应当前的研究进展和重点

本文从结构塑性动力响应的工程背景和研究特点出发,简要介绍了此学科当前的研究进展和重点。主要评述了国内外学者所关注的一些基本理论问题和研究方法。同时也提出了数值分析和近似方法中尚待解决的问题。     

风力机叶片非线性挥舞分析

将风力机叶片简化为绕轮毂旋转的变截面Euler-Bernoulli悬臂梁,基于Greenberg公式给出非线性气动力,建立叶片挥舞振动非线性控制方程.由于变截面梁的弯曲刚度和线密度是沿梁轴线变化的函数,无法给出模态函数解析式,论文提出使用假设模态法计算的模态函数,作为基函数对控制方程进行Galerkin截断,通过将挥舞振动分解为静态位移和动态扰动合成,对其进行动态响应分析,同时讨论了叶轮转速、风速和旋转位置对振动特性的影响.研究表明:(1)叶轮转速对叶片挥舞特性影响显著,风速和叶片转角对振动特性影响很小.(2)静态位移随风速增加而增大,大体上成线性关系,气动阻尼随风速增加而减小.(3)风速较低时,非线性挥舞振动表现为衰减振动,随着风速增加,振动由衰减振动演化为周期运动,再由周期运动演化为拟周期运动.     

风速不确定性对风力机气动力影响量化研究

风力机气动力学一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是基于确定性工况条件, 但因风力机常年工作在自然来流复杂环境,风速随机波动致使风电系统呈现不确定性, 对电网稳定性带来巨大挑战,因此进行不确定风速条件下风力机气动力学研究具有重要意义.为揭示不确定性对风力机流场影响机理并明确其对气动力的影响程度,本文提出一种风力机不确定空气动力学分析方法,基于修正叶素动量理论和非嵌入式概率配置点法,建立水平轴风力机不确定性空气动力学响应模型; 以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象, 基于该模型提取风力机输出随机响应信息,量化不确定风速对风力机风轮功率、推力、叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的影响程度;通过分析流动诱导因子不确定性在叶片展长方向上的分布规律,揭示不确定因素在风力机本体上的传播机制,为风电系统设计及应用提供理论依据和重要参考. 结果表明,风速波动对风力机功率和气动力影响显著,高斯风速标准差由0.05倍增大至0.15倍均值,功率和推力最大波动幅度分别由13.44%和8.00%增大至35.11%和22.02%,叶片挥舞弯矩和摆振弯矩最大波动幅度分别由7.20%和12.84%增大至19.90%和33.49%.来流风速不确定性导致叶片根部位置气流明显波动,可以考虑在该部分采取流动控制措施降低叶片对风速不确定性的敏感程度.      

凸肩叶片的非线性振动特性与运动分岔

以凸肩叶片作为研究模型, 建立了考虑凸肩摩擦力, 几何大变形与阻尼的非线性振动方程.采用Galerkin法对振动方程离散化, 应用平均法对离散后模态方程组的非线性响应进行解析分析, 得到了非线性幅频特性曲线, 与数值解比较验证了解析解, 并讨论了系统周期解的稳定性. 用非线性振动理论详细研究了平均方程组的运动分岔现象, 揭示了平均方程组周期解的变化过程及其具有的非线性动力学性质. 解析结果表明, 凸肩之间的摩擦对系统第二阶非线性振动特性影响很大. 由于凸肩之间摩擦力方向的不断改变, 系统第二阶非线性幅频特性曲线不连续, 出现两个共振频域. 随着时间的推移, 系统振动的幅值会以$T/ 4$为周期在两个频域的幅频曲线上来回跳动, 这会使叶片的振动响应大幅降低.      

台风过境下大型单桩式海上风机结构动力特性研究

风机大型化是我国海上风电技术发展的重要方向. 东南沿海是我国海上风电发展的重要基地, 这一区域频繁发生的台风对海上风机的影响不可忽略. 台风风场与常规大风风场有不同的湍流特性, 同时台风期间较高的风速会引起巨大的台风浪. 本文考虑台风经过期间独特的风场及波浪场, 开展风浪联合作用对大型单桩海上风机影响的研究. 基于DTU 10 MW大型单桩风机, 运用一体化分析软件SIMA建立风浪联合作用下大型单桩风机的耦合数值模型, 研究台风经过不同阶段大型风力机的动力响应特性. 计算结果显示, 叶片变桨能有效降低台风经过时风机叶片所受风载荷, 变桨状态下单桩风机所受风载荷主要来源于塔筒. 在台风经过的不同阶段, 大型单桩海上风机结构表现出不同的动力特性. 台风全过程塔筒运动均受波浪激发一阶频率控制, 塔基上方结构动力载荷以惯性载荷为主, FOVS至FEWS阶段及BOVS阶段至BEWS阶段塔筒运动一阶频率处响应能量增长较小, 响应能量向低频及波频转移. 塔基下方泥面线处剪力响应受波频控制, 弯矩响应受一阶频率控制.      

Numerical and experimental studies on the hydrodynamic damping of a zero-thrust propeller

Fluid added mass and damping are significant parameters when predicting the dynamic response of a submerged structure. The hydrodynamic damping of underwater rotating machinery is numerically and experimentally investigated by a zero-thrust propeller in this paper. The lifting surface method(LSM) combined with forced vibration was introduced as the numerical method to compute the corresponding unsteady thrust, while the experimental method of measuring added damping was accomplished by a propeller undergoing rotation combined heave motion. Results of the theoretical method are in good agreement with the experimental results before cavitation occurs, as cavitation is regarded to weaken the unsteady response of the propeller partly. The calculation results also show that both the frequency ratio(vibration frequency divided by rotation frequency) and the blade angle have a significant influence on the hydrodynamic damping. Therefore, the effect of blade angle on hydrodynamic damping should be considered during the design phase.     

跨音涡轮叶栅底压的无粘模型

本文提出一个无粘的底部压力模型。证明了在给定反压的情况下,超音出口的涡轮叶栅的叶片尾缘的底压以及叶型损失可由该模型确定。与无粘的流场计算相结合,可用该模型计算二维叶栅的底压。对模型的参数研究表明:具有正曲率的喉道下游叶背型面将有利于减少损失;而出口为音速时流动则最为不利。