● 摘要
战斗机技战术性能的提升高度依赖于航空发动机推重比的不断提高，当前在研的新一代发动机推比目标为15~20，高推重比的要求在风扇/压气机/涡轮上必然反映高的级负荷，这将导致与此相关的结构完整性和可靠性问题——如长期困扰航空发动机设计人员的颤振问题——更加严峻，因此进一步认识颤振问题的物理本质并发展相关预测模型具有重要的理论和工程意义。本文采用数值模拟方法并结合已有的部分实验数据，对航空发动机风扇和涡轮的颤振问题进行了深入研究，并发展了一套可应用于叶轮机械设计阶段的颤振预测方法。本文研究的最终目标是希望在航空发动机设计阶段就最大限度的降低颤振发生的几率。本文首先进一步完善了一种基于求解欧拉方程或者雷诺平均NS方程的数值模拟程序，使其能够模拟叶轮机械内部包含各种复杂几何结构的运动边界问题；并分别利用二维振荡叶栅和三维环形振荡低压涡轮叶栅实验结果对数值模拟程序进行了细致系统的校验；在此基础上，通过对二维振荡叶栅、低压涡轮振荡环形叶栅以及三维跨音振荡风扇转子等的数值模拟，给出了振荡叶栅内部的详细流动图画，探讨了叶轮机械内部颤振的物理机制，并系统研究了一系列几何气动参数等对颤振影响的规律，初步得到识别颤振影响的关键参数；论文的最后部分还探讨了适用于工程设计的颤振稳定性预测方法——即将稳定性参数云图作为叶片设计阶段的颤振稳定性预测工具，这使得在叶片设计阶段就最大限度的降低颤振发生的几率成为可能。论文研究表明，本文的数值模拟程序能够对振荡叶栅内部流动进行合理的描述，本文所采用的影响系数法在叶轮机械颤振稳定性的分析中是有效的；采用稳定性参数的概念，用其代表所有可能的叶片间相位角下的最小气动阻尼，且仅包含参考叶片和相邻叶片的贡献，使得颤振问题的分析得到合理简化；通过刚体运动假设和模态叠加原理以及任意的刚体运动都可以表示为刚体扭转运动的思想，获得了表示所有可能的刚体运动和稳定性参数关系的稳定性参数云图，可作为设计阶段颤振分析的有力工具；并分别就参考叶片附近（扭转振动为主的模态）和远离参考叶片（弯曲振动为主的模态）区域的稳定性参数云图进行了详细的分析，使得稳定性参数云图对颤振预估的优势可以最大限度的发挥出来；针对低压涡轮颤振进行了一系列的参数化研究，研究了包括振型、折合频率、进口气流角、出口马赫数、叶尖间隙以及三维效应等对颤振稳定性的影响，表明了振型等是影响颤振稳定性的重要参数之一；通过将稳定性参数分解为参考叶片和相邻叶片的贡献，对叶轮机械内部颤振的物理本质有了更深的认识，并成功解释了频率错频对颤振的抑制机理。通过将稳定性参数云图作为叶片设计阶段的颤振稳定性预测工具，使得在叶片设计阶段就最大限度的降低颤振发生的几率成为可能，这也使得本文提出的颤振稳定性设计思路有望在短时间内应用于叶片设计阶段。