The prognose of aviation engine fan blade row flutter
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-774X.2020.02.02Анотація
ABSTRACT Одной из наиболее острых и важных проблем, влияющих на надежность проточных частей турбомашин является аэроупругость лопаточных аппаратов. Основная сложность в исследовании аэроупругих явлений в турбомашинах заключается в необходимости моделирования взаимодействия двух физических сред (жидкой и упругой).
Одним из подходов к расчету аэроупругих явлений (флаттер) является нестационарный аэродинамический анализ, который изучает нестационарные течения в турбомашинах независимо от их происхождения и за последние десятилетия прошел путь от линейной теории до решения уравнений Навье-Стокса.
Второй подход исследовании аэроупругости лопаточных аппаратов турбомашин связан с изучением движения лопаток под действием аэродинамических сил, вызванных неравномерностью основного потока и не зависящих от движения лопаток.
Данные подходы игнорируют влияние колеблющихся лопаток на основной поток газа. В рамках отдельно рассматриваемых задач выпадает из рассмотрения одно из наиболее сложных и наименее изученных явлений – самовозбуждающиеся колебания (флаттер). На основании анализа современного состояния проблемы аэроупругости турбомашин и существующих методов прогнозирования флаттера можно заключить, что наиболее перспективным подходом в исследовании аэроупругого поведения лопаточного венца турбомашины является подход, основанный на трехмерной модели нестационарной аэродинамики и модальном анализе движения лопатки (метод решения связанной аэроупругой задачи). Данный метод решения связанной задачи нестационарной аэродинамики и упругих колебаний лопаток позволит прогнозировать амплитудно-частотный спектр колебаний лопаток в трехмерном потоке газа, включая вынужденные, самовозбуждающиеся колебания с целью повышения надежности лопаточных аппаратов турбомашин.
С использованием разработанного численного метода был проведен анализ аэроупругого поведения лопаточного венца вентилятора авиационного двигателя на различных режимах. Результаты расчетов подтвердили возникновение неустойчивых режимов работы вентилятора. В результате проведенных исследований даны рекомендации по устранению аэроупругого явления − флаттера (изменение геометрии лопатки вентилятора).
Keywords: the coupled problem, the method of flutter prediction, unsteady loads, the natural mode, the 3D model flow
Посилання
Gnesin, V. I. and Kolodyazhnaya, L. V. (2009), “Ajerouprugie javlenija v turbomashinah [The aeroelastic phenomena in the turbomachines]”, Aerogidrodynamic and Aeroacoustics: Problems and prospects, no. 3, pp. 53–62.
Vahdati M., Simpson G. and Imregun M. (2011), “Mechanisms for wide−chord fan blade flutter”, Journal Turbomachinery, vol. 133.
Cinnella, P., Palma De, Pascazio G., Napolitano M. (2004), “A Numerical Method for Turbomachinery Aeroelasticity”, Journal of Turbomachinery, vol. 126, April, 2004. pp. 310–316.
Sadeghi M., Liu F. (2001), “Investigation of non-linear flutter by a coupled aerodynamics and structural dynamics method”, AIAA Journal, 0573.
Gnesin, V. I. and Kolodyazhnaya, L. V. (1999), “Numerical Modelling of Aeroelastic Behaviour for Oscillating Turbine Blade Row in 3D Transonic Ideal Flow”, J. Problems in Mash. Eng., vol. 1, no. 2, pp. 65–76.
Gnesin, V., Kolodyazhnaya, L. (1998), “Aeroelastic analysis of turbine blade row on the base of numerical solution for coupled problem of aerodynamics and elastic oscillations”, J. Problems in Mash. Eng., no. 3–4, pp. 29–40.
Gnesin V. I. ,Kolodyazhnaya L. V., Rzadkowski R. (2000), A Coupled Fluid- Structure Analysis for 3D Flutter in Turbomachines”, ASME 2000-GT-380, Intern. Gas Turbine and Aeroengine Congress, Munich, Germany, 8–11 May, 2000, pp. 1–8.
Gnesin V. I., Kolodyazhnaya L. V., Kravchenko I. F., Merkulov V. M., Sheremetyev A. V., Petrov A. V. (2017), “Chislennyy analiz aerouprugogo povedeniya lopatochnogo ventsa ventilyatora aviatsionnogo dvigatelya”, Problemy mashinostroyeniya, vol. 20, no. 3, pp. 3–11.
Rougeault-Sens A.-S., Dugeai A. (2006), “Numerical unsteady aerodynamics for turbomachinery aeroelasticity”, Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics and Aeroelasticity of Turbomachines. Springer, Printed in the Netherlands. pp. 423−436.
Godunov, S. K., Zabrodin А. V., Ivanov М. Y., Кrayko А. N., Prokopov G. P. (1976), Chislennoe reshenie mnogomernyh zadach gazovoj dinamiki [The Numerical solution of multidimensional tasks of gas dynamics], Nauka, Moscow, 400 p.
