CN115859536B - 压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，包括：步骤一、建立热态叶片的整体叶盘模型，并将整体叶盘模型切分成1/n扇区的循环对称模型，其中n为叶片数；步骤二、对切分后1/n扇区的循环对称模型进行六面体网格划分；步骤三、进行叶片模态分析，提取叶片表面模态位移，并对叶片模态位移进行归一化处理；步骤四、建立多级压气机定常和非定常流场模型；步骤五、根据步骤四中建立的多级压气机非定常流场模型，进行动网格下多级压气机全环非定常流场仿真；步骤六、通过步骤五中的仿真操作获得不同工况下转子叶片非同步气流激励频率；步骤七、通过转子叶片非同步气流激励频率与叶片振动频率比较，并判断叶片是否发生锁频。

Description

压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法

技术领域

本说明书涉及燃气涡轮类发动机压气机叶片多物理场耦合数值模拟方法技术领域，具体涉及一种压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法。

背景技术

现有技术中航空发动机对推重比提出越来越高要求，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。大量新材料新结构应用于叶片，型面更加弯扭复杂，整体叶盘和整体叶环结构代替传统的盘片分离结构。这一设计趋势使得压气机内不稳定流动产生的非定常气动力随之增强，叶片具有较小的结构阻尼却承受更大的气动载荷，叶片处于更高的动应力状态。这种由不稳定流体激发的叶片宽频、多模态振动使得叶盘叶片高周疲劳失效问题日益突出。

压气机叶片的流致振动问题本质是一个典型的流、固、热多物理场耦合问题，叶片振动是由内部非定常流动激起，反过来，叶片振动又影响非定常流场的发展。因此，准确模拟叶片的流致振动问题必须采用多物理场耦合数值方法。叶片非同步振动是一种典型的流致振动问题，其气流激励频率与转频不同步，存在锁频现象，叶片动应力表现为高振幅值振动，常发生在高负荷压气机的非设计工况。

当前，基于时域双向的多物理场耦合数值模拟方法可用于叶片非同步振动时的锁频研究，但是存在以下两个问题：

1) 结构动力学求解不支持叶盘的循环对称结构，只能采用单叶片进行求解，使其频率特征与实际整体叶盘叶片频率特征存在差异；

2) 叶盘叶片有限元求解时，一般采用四面体的非结构化网格，使得多物理场交界面上物理参数的插值结果不准确，影响耦合求解精度；

3) 基于时域的多物理场数值模拟方法每个物理时间步均需调用不同求解器交叉迭代，求解时间长和计算量大，难以满足工程设计要求。

因此，为了能够准确模拟压气机叶片非同步振动时的锁频过程，急需发展工程上适用的多物理场耦合数值模拟方法，解决多个求解器实时迭代求解耗时长和叶片频率特征求解不准确问题。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，以解决多个求解器实时迭代求解耗时长和叶片频率特征求解不准确问题。

本发明的具体方案为：一种压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，包括：步骤一、建立热态叶片的整体叶盘模型，并将整体叶盘模型切分成1/n扇区的循环对称模型，其中n为叶片数；步骤二、对切分后1/n扇区的循环对称模型进行六面体网格划分；步骤三、进行叶片模态分析，提取叶片表面模态位移，并对叶片模态位移进行归一化处理；步骤四、建立多级压气机定常和非定常流场模型；步骤五、根据步骤四中建立的多级压气机非定常流场模型，进行动网格下多级压气机全环非定常流场仿真；步骤六、通过步骤五中的仿真操作获得不同工况下转子叶片非同步气流激励频率；步骤七、通过转子叶片非同步气流激励频率与叶片振动频率比较，并判断叶片是否发生锁频。

进一步地，步骤四具体为：建立多级压气机三维实体模型，将多级压气机三维实体模型导入流体动力学仿真工具中，建立多级压气机全环定常流场模型，对多级压气机全环定常流场模型划分流体网格；设置多级压气机全环定常流场模型计算的边界条件，压气机出口设置不同的背压，计算不同工况下的定常流场；设置多级压气机全环非定常流场模型计算的边界条件，压气机出口设置不同的背压，计算不同工况下的非定常流场。

进一步地，步骤五为：设置动网格下多级压气机全环非定常计算的边界条件，其中转子网格为动网格，静子网格为刚性；完成动网格下多级压气机非定常流场的仿真。

进一步地，步骤六具体为：根据步骤五中的仿真结果提取数值仿真收敛后不同叶高数值探针的表面静压，对提取的表面静压时域信号做傅里叶变换，获得转子叶片非同步气流激励频率。

进一步地，步骤七具体为：当气流激励频率与叶片振动频率一致时，则判断叶片发生锁频；当气流激励频率与叶片振动频率不一致时，则判断叶片未发生锁频。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例在进行多物理场耦合仿真时，可在交界面可实现物理参数高精度插值，通过叶片的运动规律模拟叶片振动过程，通过求解不同归一化模态位移下的非定常流场，判断转子叶片是否发生锁频。

附图说明

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。

图1是本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，包括：

步骤一、建立热态叶片的整体叶盘模型，并将整体叶盘模型切分成1/n扇区的循环对称模型，其中n为叶片数；

步骤二、对切分后1/n扇区的循环对称模型进行六面体网格划分；

步骤三、进行叶片模态分析，提取叶片表面模态位移，并对叶片模态位移进行归一化处理；

步骤四、建立多级压气机定常和非定常流场模型；

步骤五、根据步骤四中建立的多级压气机非定常流场模型，进行动网格下多级压气机全环非定常流场仿真；

步骤六、通过步骤五中的仿真操作获得不同工况下转子叶片非同步气流激励频率；

步骤七、通过转子叶片非同步气流激励频率与叶片振动频率比较，并判断叶片是否发生锁频。

传统基于时域双向流固耦合数值模拟方法在进行叶片锁频数值仿真分析时，存在耗时长和计算频率特征失真的问题。本发明所提出的压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法在进行多物理场耦合仿真时，可在交界面可实现物理参数高精度插值，通过叶片的运动规律模拟叶片振动过程，通过求解不同归一化模态位移下的非定常流场，判断转子叶片是否发生锁频。

该数值仿真方法的计算量与全环非定常数值仿真计算量相当，约等于传统基于时域的双向多物理场耦合计算量的1/10，极大节约了计算资源和时长，可满足实际的工程应用。

本发明实施例中的步骤一具体为：根据多级压气机气动设计结果，获取压气机转子叶片热态流道和叶型数据，建立多级压气机热态转子叶片的整体叶盘三维实体模型，并将整体叶盘模型切分成1/n(n为叶片数)扇区的循环对称模型。

上述步骤二具体为：对切分后步骤一的整体叶盘循环对称模型进行六面体网格划分，保证循环对称面网格节点分布规律在周向完全一致，生成有限元计算的固体网格。

步骤三为：将固体网格导入到有限元分析工具 ANSYS 中，定义材料属性和单元属性，施加载荷和约束。利用有限元分析工具 ANSYS 中的动模态分析获取叶片振动的固有模态，提取M阶振动模态下转子叶片表面节点XYZ三个方向的模态位移，形成M阶振动模态下归一化的模态位移文件，文件内容包含转子叶片表面节点坐标XYZ三个方向的模态位移和振动频率，振动频率为试验动应力应变片频率或者非接触动应力测试获职的转子叶片动频值。其中振动模态阶数M为正整数，一般为1和2，叶片非同步振动主要关注转子叶片的一阶弯曲振动模态(M=1)和一阶扭转振动模态(M=2)。

步骤四具体为：

首先，将已建立的多级压气机三维实体模型导入流体动力学仿真工具 CTX 中，建立多级压气机全环定常流场模型，划分流体网格，全环流场模型通过单通道周向复制而成。

然后，设置多级压气机全环定常计算的边界条件，压气机出口设置不同的背压，计算不同工况下多级压气机的气动特性，获得不同工况下的定常流场。

多级压气机非定常流场以定常流场结果作为初场迭代，计算不同正况下的多级压气机非定常流场，设置多级压气机全环非定常流场仿真的边界条件和物理时间步长，时间步长是指转子叶片一个运动周期的N分之一，N是用户设定的叶片一个周期运动的时间步数，实际应用中N取正整数，且N∈[50,100]。在转子叶尖隙区域、不同叶高前缘位置和吸力面位置布置数值探针，监测绝对坐标系和相对坐标系下转子叶片的表面静压。

步骤五为：

设置动网格下多级压气机全环非定常计算的边界条件，其中转子网格为动网格，静子网格为刚性；

完成动网格下多级压气机非定常流场的仿真，具体为将步骤三中转子叶片第M 阶振动模态归一化的运动网格文件映射至转子叶片流体动网格上，叶片运动的映射是通过三维线性插值，将叶片固体网格节点上第M 阶振动模态插值到流体叶片表面的节点上，动网格下转子叶片将按归一化的模态网格文件进行运动，完成动网格下多级压气机非定常流场的仿真,动网格下多级压气机非定常流场的仿真以步骤四中获得的非定常数值结果作为初场迭代,动网格条件下的数值仿真布置数值探针位置与步骤一中多级压气机全环非定常流场仿真保持一致。

步骤六具体为：

根据步骤五中的仿真结果提取数值仿真收敛后不同叶高数值探针的表面静压，对提取的表面静压时域信号做傅里叶变换，获得转子叶片非同步气流激励频率，气流激励频率包今绝对坐标系和相对坐标系下的气流激励频率值。

具体计算公式为：f^F±f^R=αf₀；f^F为绝对坐标系下压力脉动频率，f^R是相对坐标系下气流激励频率，f₀为转子转频，α为非同步气流在周向的模态数。

当α为正整数时，表明压气机转子内部不稳定气流与叶片M阶振动发生耦合，当α为非正整数时，表明压气机转子内部不稳定气流与叶片M阶振动未发生耦合。

步骤七具体为：

当气流激励频率与叶片振动频率一致时，则判断叶片发生锁频；

当气流激励频率与叶片振动频率不一致时，则判断叶片未发生锁频。

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。

Claims (5)

1.一种压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，其特征在于，包括：

步骤一、建立热态叶片的整体叶盘模型，并将整体叶盘模型切分成1/n扇区的循环对称模型，其中n为叶片数；

步骤二、对切分后1/n扇区的循环对称模型进行六面体网格划分；

步骤三、进行叶片模态分析，提取叶片表面模态位移，并对叶片模态位移进行归一化处理；

步骤四、建立多级压气机定常和非定常流场模型；

步骤五、根据所述步骤四中建立的多级压气机非定常流场模型，进行动网格下多级压气机全环非定常流场仿真；

步骤六、通过所述步骤五中的仿真操作获得不同工况下转子叶片非同步气流激励频率；

步骤七、通过转子叶片非同步气流激励频率与叶片振动频率比较，并判断叶片是否发生锁频。

2.根据权利要求1所述的压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

建立多级压气机三维实体模型，将多级压气机三维实体模型导入流体动力学仿真工具中，建立多级压气机全环定常流场模型，对多级压气机全环定常流场模型划分流体网格；

设置多级压气机全环定常流场模型计算的边界条件，压气机出口设置不同的背压，计算不同工况下的定常流场；

设置多级压气机全环非定常流场模型计算的边界条件，压气机出口设置不同的背压，计算不同工况下的非定常流场。

3.根据权利要求2所述的压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，其特征在于，所述步骤五为：

设置动网格下多级压气机全环非定常计算的边界条件，其中转子网格为动网格，静子网格为刚性；

完成动网格下多级压气机非定常流场的仿真。

4.根据权利要求3所述的压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，其特征在于，所述步骤六具体为：

根据所述步骤五中的仿真结果提取数值仿真收敛后不同叶高数值探针的表面静压，对提取的表面静压时域信号做傅里叶变换，获得转子叶片非同步气流激励频率。

5.根据权利要求4所述的压气机转子叶片非同步振动锁频数值模拟方法，其特征在于，所述步骤七具体为：

当气流激励频率与叶片振动频率一致时，则判断叶片发生锁频；

当气流激励频率与叶片振动频率不一致时，则判断叶片未发生锁频。

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