[發明專利]非均勻導葉布局影響的渦輪動葉非定常氣動激勵建模方法

在審

• 申請號: 202310433193.9
• 申請日: 2023-04-21
• 公開（公告）號: CN116361923A
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 張偉昊;廖湘力
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F18/10;G06F18/2131;G06F111/10
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 李鵬

本發明提供一種非均勻導葉布局影響的渦輪動葉非定常氣動激勵建模方法，包括：步驟(1)：動葉壓力脈動特征快速獲取；步驟(2)：基于脈動特征提出建模設定；步驟(3)：對轉子單通道壓力信號進行參數化描述；步驟(4)：對轉子全環壓力信號進行參數化描述；步驟(5)：將參數化后的全環壓力信號進行傅里葉展開；步驟(6)：將轉子全環壓力信號與導葉非均勻布局規律耦合。本發明提出的模型的計算精度和魯棒性已經通過數值模擬得到驗證，而且可以實現任意非均勻導葉布局方案下的動葉非定常激振力的快速預測，并對非均勻導葉的設計方案提供指導，具備工程應用價值。

技術領域

本發明屬于渦輪技術領域，具體涉及一種非均勻導葉布局影響的渦輪動葉非定常氣動激勵建模方法。

背景技術

渦輪動葉的失效是影響航空發動機可靠性的關鍵因素，而非定常氣動激勵引發的疲勞則是動葉失效主要原因之一。上游靜子出口的壓力分布是動葉表面氣動激勵的主要來源。非均勻導葉布局是一種有效而且潛力巨大的動葉強制響應控制方法，如何有效控制并利用導葉柵距非均勻對動葉所受氣動激勵的影響是提高動葉疲勞壽命、發展高可靠性發動機必須關注的問題。

目前非均勻導葉布局對動葉氣動激勵影響的研究主要采用數值模擬的方法進行。從不同的非均勻導葉排布方案出發，在原型葉輪機械幾何的基礎上改型，獲得相應具有非均勻導葉的算例，然后通過數值模擬獲得流場信息，通過分析動葉表面非定常激振力的時域曲線或者頻譜圖，得到該方案對動葉強制響應的控制效果。

盡管采用數值模擬的方法進行研究可以較為準確地獲得非線性流場的有效信息，但是其計算量較大，如果采用非定常計算，將會帶來更長的計算周期。

另外，對于不同的渦輪，最佳的非均勻導葉排布方案往往不同。在尋求最佳方案的時候往往需要進行重復的CFD分析，數值模擬無法很好地將非均勻導葉布局和動葉氣動激勵聯系起來，工程應用不便。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的發明目的是提出一種考慮非均勻導葉布局影響的渦輪動葉非定常氣動激勵建模方法，并得到激振力的快速預測模型。模型的計算精度和魯棒性已經通過數值模擬得到驗證，而且可以實現任意非均勻導葉布局方案下的動葉非定常激振力的快速預測，并對非均勻導葉的設計方案提供指導，具備工程應用價值。

具體技術方案為：

非均勻導葉布局影響的渦輪動葉非定常氣動激勵建模方法，包括以下步驟：

步驟(1)：動葉壓力脈動特征快速獲取。

對導葉下游壓力脈動的特征進行獲取。使用單靜子出口流場信號的空間分布替代轉子進口流場某處非定常時域信號，通過時空轉換實現動葉表面氣動激勵的快速獲取。

步驟(2)：基于脈動特征提出建模設定。

獲得導葉柵距均勻和非均勻布局下獲得的周向壓力分布，一個導葉通道出口的壓力信號主要由“峰值區”和“過渡區”兩部分組成，采用將兩個區域統一起來以單個導葉通道為建模單元的方法。采用矩形波對壓力脈動進行模化，建模設定如下：

對于柵距均勻導葉出口的壓力信號：設定各單通道信號的幅值、寬度均相同，全環信號為等幅值、等相鄰通道相位差、以通道為周期的信號；

對于柵距非均勻導葉出口的壓力信號：設定各單通道信號的幅值、寬度均相同，全環信號為等幅值、變相鄰通道相位差、以全環為周期的信號。

步驟(3)：對轉子單通道壓力信號進行參數化描述。

公式(1)給出了單個通道矩形波信號的參數化描述。P(t)為矩形波信號，A為矩形波的幅值，ε為矩形波的波寬，是相鄰通道相位差，t₀為初始相位。導葉柵距均勻布局的每個單通道信號表達式內的都保持不變；而在非均勻導葉布局下，每個單通道信號內的都是變化的，此時的大小與其非均勻排布規律有關。