高负荷压气机叶片变刚度非线性预变形与叶型重构机制研究

The blades of new generation highly loaded compressor are much thinner. When running at high speed, the blade deformation phenomenon is easy to produce, owing to substantial centrifugal force and aerodynamic loads, it will directly affect aerodynamic performance and security operation stability of the whole machine. The nonlinear characteristics and variable stiffness characteristics of external loads vary with blade untwist will be revealed by analyzing the regularity about blade deformation, by establishing a mechanical model of blade deformation and a new fast iterative algorithm is developed for solving the nonlinear variable stiffness problem. Accurate untwist prediction technique of the stationary geometry from the designed blade for high loaded compressor blade is investigated, the method of determining the running geometry of blade from stationary geometry is discussed and proved by numerical simulation and experiment. The mechanisms on pre-deformation and reconstruction for highly loaded compressor blade is deeply grasped. The objective of this research is to provide theoretical guidance and reference for three-dimensional configuration design and aerodynamic performance study of a highly loaded compressor.

新一代高负荷压气机叶片三维构型具有扁、薄的几何特征，在高速运行时受到较大的离心力和气动载荷，易发生变形，导致实际工作状态下叶型偏离初始设计构型，直接影响到整机气动性能和运行安全稳定性。本项目拟研究高负荷压气机叶片型面变形规律，揭示叶片载荷随叶型变化的非线性本质和叶片变刚度特性，构建叶片变形的非线性力学模型；发展求解该非线性变刚度问题的快速迭代算法，获得高负荷压气机叶片从设计点构型转化为加工状态构型的预变形和从加工构型到各非设计工况构型的叶型重构方法；掌握高负荷压气机叶片预变形和叶型重构机制。本项目的研究成果将为高负荷压气机叶片三维构型设计与性能研究中的构型转化提供理论指导和参考依据。

新一代高负荷压气机叶片构型具有扁、薄的几何特征，在高速运行时受离心力和气动力作用易发生变形，叶片形状的变化会使工作状态下压气机内的流动与设计状态出现差别，直接影响到整机气动性能和运行稳定性。因此研究高负荷压气机叶片型面变形规律，揭示叶片载荷随叶型变化的非线性本质和叶片变刚度特性，发展基于流固耦合的叶片构型转换方法，对高负荷压气机叶片设计和性能研究具有重要意义。.叶片构型转换的关键在于如何准确计算叶片变形，首先开展了叶型重构方法的研究。考虑叶片载荷条件与刚度矩阵随叶片几何构型变化的非线性特征，发展了用于实现叶片由冷态至热态的叶型重构方法。利用发展的方法对试验转子叶片和Stage 37的转子叶片进行了叶型重构，并与试验数据做了对比分析，验证了方法的可靠性。在此基础上，发展了一种非线性预变形设计方法，预先补偿叶片的气弹变形，从而确保压气机叶片在设计点实现设计构型。利用所发展的方法，获得了某压气机动叶的加工叶片构型，结果表明，所发展的非线性预变形方法可确保设计工况下压气机转子叶片与理想叶型吻合良好。.在上述内容基础上，应用所发展预变形方法获得Stage 37转子叶片的冷态叶型，并利用重构方法计算该叶型在不同工况下的热态叶型，研究了预变形叶片气动参数及结构参数的变化规律。考察了预变形叶片在非设计点运行时实际性能与设计叶型的差别。研究表明，若使用设计叶型用于加工，在压气机运行时，叶片发生反扭变形，造成压气机总压特性曲线朝大流量方向偏移，且压比上升。若使用预变形叶型用于加工，不仅可有效降低叶片运行时的反扭角，还能确保预留足够的叶顶间隙。当压气机在80%设计转速以上运行时，预变形叶片实际气动特性与设计值吻合，但低转速下压比及流量较设计值低。