● 摘要
随着叶轮机械性能的不断提高，风扇/压气机叶片的级增压比越来越高，叶片却趋于更轻薄，这使得叶片流体诱发振动破坏的风险增加，特别地，当叶片工作在恶劣工况时，会产生强非定常激励，进一步增加了流体诱发叶片振动破坏的概率。为了研究恶劣工况下的压气机叶片流体诱发振动问题，采用试验和数值方法研究了外部非定常激励对平面叶栅流动及振动特性的影响，进一步基于某跨声速转子，通过数值模拟实际的压气机恶劣工况-静子调节失谐产生的非定常激励，研究了不同静子失谐工况对压气机流场及转子振动特性的影响。
具体地，基于平面叶栅，通过三维非定常及流固耦合数值方法研究了外部非定常激励参数对叶栅流场及振动的影响规律，并通过试验进行了相应的验证。结果表明：叶栅特性计算和试验结果基本吻合，验证了计算方法的可行性；试验和数值方法都表明，不同的非定常激励对叶栅的影响不同，激励主要影响激励端壁侧，同时由于在设计攻角及负攻角工况下，损失主要集中在端壁侧，导致非定常激励对这两种工况下的叶栅损失系数影响更显著，最大能降低22%；外部非定常激励的存在改变了叶片表面的压力脉动特性，从而改变了叶片的振动特性，主要体现在增加了叶片的交变动应力，最大可至静应力水平的23.7%，同时改变了其频率特性。
进一步基于某跨声速转子，通过三维流固耦合的方法数值研究了单个静叶失谐、交替失谐以及多静叶失谐导致的强非定常激励特性，进而研究了其对压气机流场及转子振动特性的影响。结果表明：静叶失谐会造成压气机流场显著的非对称性，尤其影响其尾迹特性，使尾迹中除了通过频率外还存在显著的低频激励成分；由于流场的不对称，造成转子叶片负荷随时间的显著变化，使得转子叶片的振动幅频特性发生变化，甚至在部分失谐工况下出现了转子一弯动频振动成分，增加了叶片气动弹性不稳定性，这和试验现象是一致的。