非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法技术

本发明专利技术提供一种非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法，包括：步骤(1)：动叶压力脉动特征快速获取；步骤(2)：基于脉动特征提出建模设定；步骤(3)：对转子单通道压力信号进行参数化描述；步骤(4)：对转子全环压力信号进行参数化描述；步骤(5)：将参数化后的全环压力信号进行傅里叶展开；步骤(6)：将转子全环压力信号与导叶非均匀布局规律耦合。本发明专利技术提出的模型的计算精度和鲁棒性已经通过数值模拟得到验证，而且可以实现任意非均匀导叶布局方案下的动叶非定常激振力的快速预测，并对非均匀导叶的设计方案提供指导，具备工程应用价值。应用价值。应用价值。

【技术实现步骤摘要】
非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法


[0001]本专利技术属于涡轮
，具体涉及一种非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法。

技术介绍

[0002]涡轮动叶的失效是影响航空发动机可靠性的关键因素，而非定常气动激励引发的疲劳则是动叶失效主要原因之一。上游静子出口的压力分布是动叶表面气动激励的主要来源。非均匀导叶布局是一种有效而且潜力巨大的动叶强制响应控制方法，如何有效控制并利用导叶栅距非均匀对动叶所受气动激励的影响是提高动叶疲劳寿命、发展高可靠性发动机必须关注的问题。
[0003]目前非均匀导叶布局对动叶气动激励影响的研究主要采用数值模拟的方法进行。从不同的非均匀导叶排布方案出发，在原型叶轮机械几何的基础上改型，获得相应具有非均匀导叶的算例，然后通过数值模拟获得流场信息，通过分析动叶表面非定常激振力的时域曲线或者频谱图，得到该方案对动叶强制响应的控制效果。
[0004]尽管采用数值模拟的方法进行研究可以较为准确地获得非线性流场的有效信息，但是其计算量较大，如果采用非定常计算，将会带来更长的计算周期。
[0005]另外，对于不同的涡轮，最佳的非均匀导叶排布方案往往不同。在寻求最佳方案的时候往往需要进行重复的CFD分析，数值模拟无法很好地将非均匀导叶布局和动叶气动激励联系起来，工程应用不便。

技术实现思路

[0006]针对上述技术问题，本专利技术的专利技术目的是提出一种考虑非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法，并得到激振力的快速预测模型。模型的计算精度和鲁棒性已经通过数值模拟得到验证，而且可以实现任意非均匀导叶布局方案下的动叶非定常激振力的快速预测，并对非均匀导叶的设计方案提供指导，具备工程应用价值。
[0007]具体技术方案为：
[0008]非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法，包括以下步骤：
[0009]步骤(1)：动叶压力脉动特征快速获取。
[0010]对导叶下游压力脉动的特征进行获取。使用单静子出口流场信号的空间分布替代转子进口流场某处非定常时域信号，通过时空转换实现动叶表面气动激励的快速获取。
[0011]步骤(2)：基于脉动特征提出建模设定。
[0012]获得导叶栅距均匀和非均匀布局下获得的周向压力分布，一个导叶通道出口的压力信号主要由“峰值区”和“过渡区”两部分组成，采用将两个区域统一起来以单个导叶通道为建模单元的方法。采用矩形波对压力脉动进行模化，建模设定如下：
[0013]对于栅距均匀导叶出口的压力信号：设定各单通道信号的幅值、宽度均相同，全环信号为等幅值、等相邻通道相位差、以通道为周期的信号；
[0014]对于栅距非均匀导叶出口的压力信号：设定各单通道信号的幅值、宽度均相同，全环信号为等幅值、变相邻通道相位差、以全环为周期的信号。
[0015]步骤(3)：对转子单通道压力信号进行参数化描述。
[0016]公式(1)给出了单个通道矩形波信号的参数化描述。P(t)为矩形波信号，A为矩形波的幅值，ε为矩形波的波宽，是相邻通道相位差，t0为初始相位。导叶栅距均匀布局的每个单通道信号表达式内的都保持不变；而在非均匀导叶布局下，每个单通道信号内的都是变化的，此时的大小与其非均匀排布规律有关。
[0017][0018]步骤(4)：对转子全环压力信号进行参数化描述。
[0019]全环压力信号由单通道压力信号叠加而成。对于栅距均匀的静子叶片，设定其叶片数为N，其相邻相位差均为则栅距均匀的静子通道出口全环信号写为：
[0020][0021]其中T为转子转过一圈的时间，是静子出口压力全环信号的完整周期。
[0022]对于栅距非均匀的导叶，设定其叶片数为N，其相邻相位差为则栅距非均匀的静子通道出口全环信号写为：
[0023][0024]其中且
[0025]步骤(5)：将参数化后的全环压力信号进行傅里叶展开。
[0026]对于公式(2)，令t0＝0，在[
‑
T,T]上将P
U
(t)延拓为P
U_Period
(t)，再对延拓后的P
U_Period
(t)进行周期延拓，将其延拓为周期为2T的函数，再将该周期函数展开为一般傅里叶级数，可以得到：
[0027][0028]同理，对于公式(3)，令t0＝0，在[
‑
T,T]上将P
NU
(t)延拓为P
NU_Period
(t)，再对延拓后的P
NU_Period
(t)进行周期延拓，将其延拓为周期为2T的函数，再将该周期函数展开为一般傅里叶级数，得到：
[0029][0030]步骤(6)：将转子全环压力信号与导叶非均匀布局规律耦合；
[0031]定义非均匀导叶栅距变化率为B
i
为非均匀相位和系数，其表达式为：
[0032][0033]又由将式(3)和式(5)进一步变化整合为：
[0034][0035]公式(7)就是涡轮动叶表面非定常激振力的快速预测模型，其中：D为矩形波占空比，A为矩形波幅值，N为静子叶片数，f
b
为转子扫掠频率，B
i
为非均匀相位和系数。
[0036]对于确定的涡轮，在转速已知的情况下，N，f
b
，B
i
都是确定的，这三者都是涡轮的特征属性。A依据栅距均匀涡轮导叶下游某参考截面周向压力分布的最大压力选取，而D依据同一参考截面周向压力分布中“峰值区”的范围获得。
附图说明
[0037]图1a为实施例的均匀导叶布局；
[0038]图1b为实施例的非均匀导叶布局下游周向压力脉动分布；
[0039]图2为实施例的矩形波信号示意图。
具体实施方式
[0040]结合实施例说明本专利技术的具体技术方案。
[0041]本专利技术提出了一种非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法，并且得到了激振力的快速预测模型。建模方法包括以下步骤：
[0042]步骤(1)：动叶压力脉动特征快速获取。
[0043]在正式开始建立模型之前需要对导叶下游压力脉动的特征进行获取。非定常计算时动叶叶片表面某处监测点在一个完整旋转周期内的时域信号实际为该叶片在此周期内扫过上游导叶出口流场周向分布的结果，而该结果主要受导叶排布方式的影响。因此，使用单静子出口流场信号的空间分布替代转子进口流场某处非定常时域信号进行研究，通过这一步时空转换即可实现动叶表面气动激励的快速获取。
[0044]步骤(2)：基于脉动特征提出建模设定。
[0045]导叶栅距均匀和非均匀布局下获得的周向压力分布如图1a和图1b所示。可以看出，一个导叶通道出口的压力信号主要由“峰值区”和“过渡区”两部分组成。当导叶栅距采用非均匀排布时主要影响的是“峰值区”信号的幅值和“过渡区”信号的宽度。但是由于流动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：动叶压力脉动特征快速获取；对导叶下游压力脉动的特征进行获取；使用单静子出口流场信号的空间分布替代转子进口流场某处非定常时域信号，通过时空转换实现动叶表面气动激励的快速获取；步骤(2)：基于脉动特征提出建模设定；获得导叶栅距均匀和非均匀布局下获得的周向压力分布，一个导叶通道出口的压力信号主要由“峰值区”和“过渡区”两部分组成，采用将两个区域统一起来以单个导叶通道为建模单元的方法；采用矩形波对压力脉动进行模化；步骤(3)：对转子单通道压力信号进行参数化描述；步骤(4)：对转子全环压力信号进行参数化描述；步骤(5)：将参数化后的全环压力信号进行傅里叶展开；步骤(6)：将转子全环压力信号与导叶非均匀布局规律耦合。2.根据权利要求1所述的非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法，其特征在于，步骤(2)中，建模设定如下：对于栅距均匀导叶出口的压力信号：设定各单通道信号的幅值、宽度均相同，全环信号为等幅值、等相邻通道相位差、以通道为周期的信号；对于栅距非均匀导叶出口的压力信号：设定各单通道信号的幅值、宽度均相同，全环信号为等幅值、变相邻通道相位差、以全环为周期的信号。3.根据权利要求1所述的非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法，其特征在于，步骤(3)具体方法为：公式(1)给出了单个通道矩形波信号的参数化描述；P(t)为矩形波信号，A为矩形波的幅值，ε为矩形波的波宽，是相邻通道相位差，t0为初始相位；导叶栅距均匀布局的每个单通道信号表达式内的都保持不变；而在非均匀导叶布局下，每个单通道信号内的都是变化的，此时的大小与其非均匀排布规律有关。4.根据权利要求3所述的非均匀导叶布局影响的涡轮动叶非定常气动激励建模方法，其特征在于，步骤(4)具体方法为：全环压力信号由单通道压力信号叠加而成；对于栅距均匀的静子叶片，设定其叶片数为N，其相邻相位差均为则栅距均匀的静子通...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟昊，廖湘力，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：