● 摘要
越来越高的风扇/压气机级压比，同时在结构轻量化的需求下，风扇/压气机叶片气动弹性问题日益突出，并已成为航空发动机研制过程中面临的关键技术问题之一。因此，建立和完善适用于叶轮机械气动弹性的工程设计以及颤振抑制方法具有重要的理论及工程意义。论文基于跨声速压气机，从谐调转子气动阻尼影响因素分析、转子非谐对其气动阻尼影响、静子非谐对转子气动弹性的影响以及气动阻尼预测方法探索四个方面开展研究。
针对叶轮机械中传统多通道能量法处理谐调转子气动阻尼计算成本较大的问题，论文基于行波理论以及相位延迟周期边界条件建立了谐调转子气动阻尼计算的双通道模型。以跨声速颤振实验转子BF_1_2为研究对象，通过和实验及传统多通道能量法结果的比较对该双通道模型进行了验证，并用其研究不同颤振主控参数对叶片气动阻尼的影响。研究表明：叶片间相位角、振动模态、叶尖间隙以及流动非线性对气动阻尼均有显著的影响；其中，在一弯模态下，叶片气动阻尼对叶片间相位角最敏感；不同振幅的结果显示即便在较小的叶片振幅条件下，流动非线性现象对气动阻尼仍有较显著的影响，甚至会影响稳定性；叶尖间隙对转子气动阻尼的影响在不同的叶片间相位角区域不尽相同，甚至有截然相反的影响规律。
建立了适用于叶轮机械非谐转子气动阻尼计算的全周能量法模型，基于BF_1_2，研究了转子频率非谐、叶片间相位角非谐及气动非谐对转子叶片气动阻尼的影响。研究表明：对于转子平均气动阻尼，叶片间相位角非谐影响较小，而频率非谐影响明显，它显著提高了转子最不稳定状态的平均阻尼，对于该研究转子达到7-11倍；频率非谐和叶片间相位角非谐均造成叶片气动阻尼离散度增加，对于频率非谐，局部非谐模式及程度对离散度的影响较大，局部“谐调”会显著恶化叶片的气动弹性稳定性；对叶片间相位角非谐，离散度随非谐强度增加而增强，甚至会使部分叶片首先失稳，这对理解叶轮机械叶片颤振发作的时间差异以及响应差异有一定的指导意义。叶尖间隙非谐使转子平均气动阻尼对叶片间相位角更敏感。栅距非谐转子平均气动阻尼除个别叶片间相位角差异较小外，其余状态下均提高，最高达到37%，而安装角非谐影响正好相反。
为了研究静子非谐的影响，针对某高压压气机叶片断裂故障，基于时域推进流固耦合方法建立了考虑静子非谐的多排多通道数值模型，对其故障特征进行了初步数值重现，并分析了其影响因素。研究表明：只有当0级静子和1级静子调节角度在一定范围内时出现故障特征；不考虑一级静子或者对其进行栅距非谐处理时，故障流场以及振动特征消失，说明其对故障特征的产生具有关键作用；三种转子叶尖间隙条件下均出现故障特征，但存在一定的幅值差异；不考虑上下游影响，0级静子在一定的调节角度时，尾迹中出现故障流场特征频率成分，可以推测，0级静子尾迹非定常脉动是造成流场中出现特征频率，进而导致转子叶片发生故障的可能源头之一。通过多排多通道能量法研究静子非谐对转子气动阻尼的影响，研究表明：下游静子考虑与否造成转子气动阻尼预测结果最大相差86%；另外，0级静子局部非谐在大部分叶片间相位角条件下对转子叶片气动阻尼有有益的影响，最大提高12%，同时发现，对应故障状态，转子气动阻尼为正，可见转子故障并非气动弹性不稳定故障。
为了将时域推进流固耦合方法引入到叶轮机械气动弹性稳定性设计中，借鉴有阻尼自由振动的阻尼测量思想，发展了考虑流固耦合影响的叶轮机械叶片气动阻尼求解方法。以BF_1_2为研究对象，介绍了该方法应用于求解不同模态，不同叶片间相位角气动阻尼的方法；并基于Rayleigh阻尼模型，对时域推进流固耦合计算中机械阻尼的给定做了一定的探讨，研究表明：以转子叶片二阶动频作为求解Rayleigh阻尼常数的频率上限是足够的；另外，通过比较不同激振力幅值对叶片响应位移、叶片非气动阻尼及气动阻尼的影响，发现流动非线性对叶片气动阻尼有显著的影响。
最后，对论文的研究进行了总结，并从颤振预测、实验以及抑制研究方面对进一步的研究进行了展望。