高负荷压气机叶片预变形设计与叶型重构方法研究

摘要

新一代高负荷压气机叶片构型具有扁、薄的几何特征，在高速运行时受离心力和气动力作用易发生变形，叶片形状的变化会使工作状态下压气机内的流动与设计状态出现差别，直接影响到整机气动性能和运行稳定性。因此研究高负荷压气机叶片型面变形规律，揭示叶片载荷随叶型变化的非线性本质和叶片变刚度特性，发展基于流固耦合的叶片构型转换方法，对高负荷压气机叶片设计和性能研究具有重要意义。
　　叶片构型转换的关键在于如何准确计算叶片变形，本文首先开展了叶型重构方法的研究。考虑叶片载荷条件与刚度矩阵随叶片几何构型变化的非线性特征，发展了用于实现叶片由冷态至热态的叶型重构方法，对试验转子叶片和Stage37的转子叶片进行了叶型重构，并与试验数据做了对比分析，验证了方法的可靠性。在此基础上，发展了一种非线性预变形设计方法，对某压气机动叶进行了预变形设计，预先补偿叶片的气弹变形，对比分析表明，非线性预变形方法可确保设计工况下压气机转子叶片与理想叶型吻合良好，从而确保压气机叶片在设计点实现设计构型。
　　进一步，应用预变形方法获得Stage37转子叶片的冷态叶型，并利用重构方法计算该叶型在不同工况下的热态叶型，研究了预变形叶片气动参数及结构参数的变化规律。考察了预变形叶片在非设计点运行时实际性能与设计叶型的差别。研究表明，若使用设计叶型用于加工，在压气机运行时，叶片发生反扭变形，造成压气机总压特性曲线朝大流量方向偏移，且压比上升。若使用预变形叶型用于加工，不仅可有效降低叶片运行时的反扭角，还能确保预留足够的叶顶间隙。当压气机在80％设计转速以上运行时，预变形叶片实际气动特性与理论设计特性吻合，但低转速下压比及流量较理论设计低。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 船用燃气轮机中压气机的特点

1．3 叶轮机械流固耦合研究现状

1．4 叶片受力及变形

1．5 叶片变形对气动特性影响的研究现状

1．6 叶片预变形与叶型重构的研究现状

1．7 本文主要研究内容

第2章 流固耦合数值模拟方法

2．1 引言

2．2 控制方程

2．2．1 流体控制方程

2．2．2 固体控制方程

2．2．3 耦合控制方程

2．3 数值软件

2．3．1 计算流体力学软件CFX介绍

2．3．2 有限元分析软件ANSYS介绍

2．4 动网格模型

2．5 耦合面的数据传递和网格映射

2．6 本章小结

第3章 考虑刚度及载荷非线性的叶型重构方法

3．1 引言

3．2 叶型重构方法

3．2．1 牛顿—拉斐逊法

3．2．2 非保守力迭代方法

3．2．3 叶型重构流程

3．3 叶型重构校核算例

3．3．1 算例1

3．3．2 算例2

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 压气机叶片预变形方法

4．2．1 载荷增量法

4．2．2 预变形流程

4．3 叶片预变形算例

4．4 本章小结

第5章 基于非线性叶型重构的压气机叶片气动弹性分析

5．1 引言

5．2 计算模型及数值方法

5．3 结果分析

5．4 本章小结

第6章 预变形叶片在非设计工况下的叶型重构

6．1 引言

6．2 计算模型及数值方法

6．3 叶片气动参数的变化规律

6．4 叶片结构参数的变化规律

6．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

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