● 摘要
在叶轮机械中，流体诱导振动引起叶片强迫响应导致的叶片高周疲劳断裂是叶轮机械主要的结构破坏形式。随着工程技术的高度发展，对于叶轮机械的性能要求越来越高，叶轮机械中的流动现象变得十分复杂，同时，材料的使用却趋于极限，使得叶轮机械的结构变得更为轻巧和富有柔性，来自流体诱导振动的危险也越来越大。本文提出了尾流激振情况下，叶片强迫响应瞬态预估系统，解决了完整准确加载气动载荷的问题。对静子叶片进行气动非谐设计，研究了非谐结构对尾流激振力的影响，并给出了非谐结构的设计准则。对转子叶片在非谐结构中的强迫响应进行分析，与试验进行对比，解决工程实际中出现的问题。首先，建立强迫响应瞬态分析系统。应用现有的通用流体计算和结构分析软件，采用MATLAB和ANSYS的二次开发语言APDL编制数据处理及接口程序。同时，提出了强迫响应瞬态分析模型，针对现有分析方法中气动激振力加载上丢失激振力信息的问题，从流场模型出发建立有限元模型，从而有效解决了全面加载气动激振力的问题。该分析系统和分析模型可用于解决各种叶型的强迫响应问题，流场计算和结构分析均采用通用程序，为工程实际应用奠定了基础。应用该系统对一级涡轮叶片进行强迫响应分析，验证系统的可行性和准确性。其次，研究了应用改变静子叶片排列方式的气动非谐方法，降低转子叶片所受到的尾流激振力，从而减小叶片强迫响应振动应力。从理论分析和数值模拟上，比较了非均匀分布静子叶片和不对称分布静子叶片两种非谐方式下，尾流激振力的频率成分和幅值大小，结果表明非均匀分布静子叶片的非谐方式并不能有效降低尾流激振力，而不对称分布静子叶片的非谐方式则可将均匀分布模型的尾流激振力由单频率高幅值激振转变为多频率成分低幅值激振，有效分散尾流激振力能量，降低激振力幅值水平。再次，对不对称分布静子叶片的非谐方式的设计方法、设计准则和优化设计方案进行深入研究。探讨了多个扇区、多种叶片数目的非谐方式以及不同扇区排列方式对激振力的影响。研究认为扇区叶片数目的进一步增加在降低激振力幅值上效果不明显，同时会导致激振力频率成分带宽增加，引发不必要的共振频率。而不同扇区排列方式可改变激振力出现的频率成分，当传统意义上的不对称分布静子叶片非谐方式在频率成分上无法满足避开共振需要时可考虑应用交错式的排列方式。同时，结合工程实际应用，给出了适合工程应用，方便简单，减振效果明显的两扇区不对称非谐设计的设计准则和最优设计方案。最后，运用本文提出的强迫响应预估系统以及气动非谐的相关理论数值求解方法，结合某压气机故障叶片进行全面分析和非谐减振研究，并与试验进行对比，得到了理想的结果。