[发明专利]一种叶轮机械气动阻尼计算方法

说明书

本发明实施例公开的一种叶轮机械气动阻尼计算方法，涉及叶轮机械气动弹性稳定性分析技术，该方法对孤立叶片进行动模态分析，获得叶片的振型、频率特征；通过模态数据构造模态激振力，并将其写入瞬态结构动力学计算命令中，将非定常流场计算与该瞬态动力学计算通过叶片的运动耦合迭代计算，即可获得叶片在流场中响应；真空中求解该瞬态动力学方程，即可获得叶片在真空中的响应；通过对数基函数拟合监测点在真空以及流场中的位移响应包络线获得非气动阻尼和总阻尼，进而计算得到气动阻尼。

技术领域

本发明涉及叶轮机械气动弹性稳定性分析技术领域，尤其涉及一种叶轮机械气动阻尼计算方法。

背景技术

随着叶轮机械性能的不断提高，压气机级增压比越来越高，叶片却趋于更轻薄，这使得叶片颤振成为叶轮机械设计以及影响其可靠性的关键因素。由于颤振实验难度大，周期长，系统开展这方面的工作需要耗费大量的人力物力，因此，发展颤振边界预测的精确理论及方法是获得高性能及足够颤振裕度叶轮机械的必要手段。

在大多数叶轮机械气动弹性稳定性分析方法中，流体域和固体域分开处理，认为流体域和固体域之间的耦合作用较弱，例如：在叶轮机械颤振分析中，认为流动对颤振频率的影响可以忽略，这基于假设：相对较小的力作用于刚度较大的叶片上。因此，通常通过求解预先指定振动叶片表面的非定常气动力来判断叶片的颤振稳定性，振动频率和振型选择自由振动的振型和频率。依据谐调转子的行波假设，相邻叶片都以相同的振动频率和恒定的叶片间相位角振动。如果只关心叶片的颤振发作，小的耦合作用假设通常是足够的，但是当叶片的惯性比较小时，这种假设将不再符合。更进一步，非线性的颤振现象，例如极限环振荡不能够被预测除非求解流固耦合系统，包括结构方程。

耦合方法将结构运动方程和流动方程进行时域迭代耦合求解，在每个时间步内通过耦合交界面进行流场和结构载荷的传递，通过计算叶片的振动响应来分析颤振特性。随着流固耦合方法以及计算能力的提高，流固耦合方法也逐渐被国内外学者应用到叶轮机械气动弹性稳定性分析中来，并和非耦合情况进行了比较，获得了一些富有成效的结论。

叶轮机械颤振分析中，流固耦合方法需要假设少，能更准确地模拟流动的真实情况，更准确地反应系统的运动情况，对于颤振非线性现象的描述也更准确，但是由于该方法结果中包含信息的完整性，导致对其分析不如解耦方法更方便。气动阻尼作为气弹稳定性描述的关键参数，在解耦方法中，通过计算收敛后一个叶片振动周期的气动功来计算叶片对应不同条件的气动阻尼，从而判断其稳定性；但是在流固耦合计算中，计算收敛后气动功总为零，这对使用传统方法获得气动阻尼带来不便。而在叶轮机械设计阶段，通常用气动阻尼来比较不同设计的气动弹性稳定性裕度，由于流固耦合方法定量描述气动阻尼的不方便性导致其在设计阶段运用较少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种叶轮机械气动阻尼计算方法，能够解决由于流固耦合困难，导致使用传统方法获得气动阻尼带来不便的问题。

本发明的技术解决方案：

一种叶轮机械气动阻尼计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，针对研究对象，对其进行模态分析，提取内部节点的质量归一化振型及固有频率；

步骤2，通过提取的振型文件以及频率数据，编制研究对象的模态激振力文件，并将其加入到研究对象瞬态结构计算文件中；

步骤3，计算加载模态激振力后研究对象在真空中的位移响应，并监测振动最大点的位移响应时域曲线；

步骤4，进行研究对象流场定常计算，以定常结果作为初始条件，进行流固耦合计算，其中结构输入文件采用加载模态激振力的瞬态结构计算文件；