[发明专利]一种叶轮机械计入错频的气动弹性稳定性数值预测方法

摘要

本发明一种叶轮机械计入错频的气动弹性稳定性数值预测方法，采用气动弹性特征值法，通过计算气动弹性系统特征值预测叶轮机械考虑错频的气弹稳定性，共有七大步骤。该方法采用单向耦合技术，先对孤立叶片做固有模态分析，之后把叶片模态位移传递给流体网格。流场计算分为定常和非定常分析，非定常分析中指定叶片按照其固有模态振动，应用影响系数法处理所得非定常气动力，最后通过改变叶片广义刚度引入错频，求解含有气动载荷的叶片运动方程，得到气动弹性系统特征值，由特征值实部的符号判断系统是否发生颤振。它在叶轮机械气动弹性领域具有良好的实用价值和广阔的应用前景。

主权项

一种叶轮机械计入错频的气动弹性稳定性数值预测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：建立叶片有限元模型；针对给定的实体模型在CAE前处理软件中建立叶片有限元模型；步骤二：对建立的有限元模型进行含预应力的模态分析；首先，将建立的有限元模型导入到有限元软件ANSYS中，定义相应的材料参数，并给定转速以及位移约束条件，通过静力分析得到离心力引起的预应力；然后，采用质量归一化的模态分析，并计入离心力引起的预应力，获得叶片的固有振动特性，提取叶片振动固有频率以及模态振型，得到固体域叶片表面的节点位移；步骤三：建立计算流体力学模型；首先，通过给定的叶轮机械叶型数据，在计算流体力学仿真工具CFX的TurboGrid模块中建立叶栅的单通道流场模型，其中叶片表面附近为O型网格，其它区域为H型网格；然后，将建立的单扇区流场模型导入到ICEM CFD中，通过绕旋转轴旋转、复制N‑1份网格得到全环叶栅模型，N代表叶片数量，并输出流体域网格点和实体单元信息以及流体域各叶片表面网格点和表面单元信息；步骤四：采用CFX进行全环流场定常分析；步骤五：以定常分析结果作为初始条件，采用CFX中Junction Box模块进行全环流场非定常分析，非定常分析中指定参考叶片按照其固有模态随时间做简谐振动，振动周期同叶片固有振动周期，叶片最大振幅取0.5mm至3mm之间；流场定常分析中入口边界条件给定总温总压，出口给定平均静压，轮缘、轮毂和叶片表面给定光滑、无滑移、绝热壁面边界条件；非定常分析中叶片表面给定动网格壁面边界条件，进出口、轮缘、轮毂边界条件同定常分析，以定常 分析结果作为非定常分析的初始条件，在每一个时间步上求解采用k‑ε湍流模型封闭的Reynolds平均Navier‑Stokes方程，并写出每一个时间步的瞬时结果文件；步骤六：提取稳定振荡的一个振动周期内各时间步下叶片表面节点集中力，计算各叶片气动力影响系数，求得气动力影响系数矩阵，为判断不同节径数下是否发生颤振，将气动力影响系数转换到行波坐标系下，由气动力影响系数虚部的正负判断在相应的节径数下气动弹性失稳或稳定；步骤七：计算协调系统气动弹性特征值，由特征值实部正负判断系统是否发生颤振；对于错频系统，通过改变叶片广义刚度引入错频，求得错频系统气动弹性特征值，进而由特征值实部正负判断系统是否发生颤振。