基于降阶模型的叶轮机叶片多模态耦合颤振分析

摘要

由于整个叶片排的气动弹性数值模拟计算量非常大,为了高效地研究叶片模态间耦合对叶轮机颤振的影响,文章基于降阶模型分析了叶片排在叶片不同振动模态耦合时的稳定性.基于模态理论和系统辨识技术分别建立叶片排多模态耦合的结构和气动降阶模型,并将叶片结构运动与气动力的降阶方程在状态空间联立建立叶片排多模态耦合的气动弹性方程.文章以STCF4叶栅以及NASA Rotor67叶片排为例,通过计算气动弹性方程的特征值分析了叶片排的稳定性,并与直接CFD/CSD耦合方法计算的时域响应曲线比较验证该降阶模型的准确性.该降阶模型只需通过少数几个叶片通道的流场计算便可模拟叶片排多个模态不同固有频率下的振动情况,其计算效率相对于直接耦合方法提高了1个量级以上.针对不同频率和叶片质量比采用该降阶模型分析了叶片结构模态耦合对该叶片排稳定性的影响,结果表明当模态固有频率接近时或者叶片质量比较小时叶片结构模态耦合能显著的改变叶片排的颤振稳定性.