轴流压气机叶片非整阶振动现象的流固耦合机理研究

With the help of a free-oscillating transonic compressor cascade and a synthetic jet actuator array, an aeroelastic problem occurred in the front stage of some high-pressure compressors, named non-synchronous vibration (NSV), will be reconstructed under the laboratory condition. Experimental and numerical investigation will be performed on this cascade to study the following aspects of NSV, 1) fluid-structure interaction (FSI) mechanism, 2) theoretical modeling, 3) design criteria, and 4) flow control techniques. .Firstly, the effects of various cascade geometry, inlet condition, unsteady characteristics of the flow, and structural considerations on the FSI of the free-oscillating cascade will be investigated experimentally and numerically to establish a systematical database reflecting the FSI mechanism of NSV. Secondly, the main characteristics of FSI and the coupling matrix will be extracted from the database to study the frequency-lock/phase-lock phenomena of NSV, and eventually to reveal the FSI mechanism of NSV. Successively, a two-degree-of-freedom nonlinear reduced-order van der Pol model will be developed to describe the NSV, and this model will be explored through parametric investigation and validated with the database. Combining the database and the model, a criteria of the blade design considering NSV will be abstracted and a design software will be coded. Finally, the effects of several kinds of non-uniform tip clearances on NSV in this cascade will be examined.

本项目基于压气机自由振动跨音叶栅及合成射流阵列技术，在实验室条件下构造压气机叶片非整阶振动现象，结合数值仿真手段，研究其流固耦合机理、发展理论模型、摸索设计标准、探索流动控制方法。采用实验研究和数值仿真手段，研究不同叶栅几何、来流条件、流场非定常特征、结构振动特性下单振动叶片/自由振动叶栅内的流固耦合场，建立一套系统地反映非整阶振动流固耦合机理的、验证其物理模型急需的数据库。摸清影响非整阶振动现象的主要流场参数、结构参数、以及耦合参数矩阵，解释其锁频锁相机制，揭示其流固耦合机理。在此基础上，发展能合理描述非整阶振动流固耦合现象的双自由度非线性降阶模型，并据此提炼设计标准、开发设计工具。最后，探索非均匀叶顶间隙形式控制自由振动叶栅中非整阶振动的关键参数及物理机制。

本研究针对航空发动机压气机中的非整阶振动现象，开展了基于叶栅的试验和数值仿真研究。首先分析了某发动机压气机NSV现象，发现NSV的振动并不是尖区扰动本身的流动频率与叶片产生耦合，而是其周向的传播特征被叶片固有振动频率捕捉锁定。.建立了研究NSV现象的固定叶栅、单叶片振动叶栅和自由振动叶栅，这些叶栅设备的叶型、稠度、安装角等参数为相同或类似的。建立了一整套NSV相关的流固耦合数据。试验发现在30°安装角情况下，尖区出现了比较典型的凸包频率结构。泄漏流的周向传播表现出随着攻角增加、间隙增加强度增加的现象。泄漏涡并未明显的传递至相邻叶片，但泄漏区域的低流通能力导致更靠近壁面的泄漏流动向着相邻叶片撞击，从而产生了周向的干扰。不同振动相位下的通道内流动显示，由于振动泄漏会产生小幅的周向和展向波动，且其落后于振动，相位差为025-0.5个振动周期。.成功构建了一种锁频锁相的尖区周向波致振动现象（SERI），发现了两种区别明显的流固耦合机制。在状态A，SERI现象的触发是由于某个叶片出现了分离，产生了较大的扰动，进而使各叶片的尖区流动的相位与叶片的振动相位锁定，在锁定时，其发展是缓慢的，是流固相互作用累积的过程。各叶片相位差基本为1/6个振动周期。由于前期的小间隙试验未能发现SERI现象，可知SERI耦合现象中的主要流动因素为大间隙条件下的尖区扰动。在状态B，SERI现象的机制更类似涡致振动，来源于B2叶片在大攻角下形成的泄漏/分离流动结构或壁面分离流动。由于其振动幅值较大，直接逼迫相邻叶片出现了滞后半个周期的开关。在相邻流道内，压力的波动也基本是半个振动周期的差距。.提出了一种描述SERI的双向耦合模型，该模型根据叶型振动对前缘的压力场扰动建立周向波形，并将其作为一种作用在叶片上的压力场传递给叶片，最终形成了包含所有叶片的SERIM理论模型。经数值研究，发现其可以捕捉叶片的锁频锁相现象。