文摘

本研究介绍了数值固耦合(FSI)振动涡轮叶片造型使用商业软件ansys - 12.1。研究有两个主要目的:(i)讨论的当前状态的艺术造型FSI燃气涡轮发动机(2)发展的“优化”的单向FSI的涡轮叶片振动模型研究涡轮壳表面的压强之间的相关性和振动叶片运动。首先,完成FSI双向耦合的可行性,涡轮叶片的三维造型进行振动使用当前商业软件进行了探讨。各种造型简化,减少流体和结构域之间的耦合,然后提交。的单向FSI模型介绍了涡轮叶片振动,具有移动边界CFD模型的计算效率。这种单向FSI模型包括的纠正运动振动给发动机流条件下涡轮叶片。这种单向FSI模型用于审问一个振动燃气轮机叶片周围的压力。结果表明,套管表面的压力分布没有显著差异,在它的一般形式,在振动转子叶尖的压力。

1。介绍

叶片振动的固有特性的操作燃气涡轮机,由于转子的叶片通过拖曳醒来从上游静叶片的阶段。这不可避免的叶片振动的设计需要考虑这些引擎,因此叶片振动的测量是必要的。由于高操作温度、压力和涡轮发动机旋转环境,对非接触测量技术的需求明显。最近的一项研究显示,燃气轮机内部套管压力,并由此导致套管振动,可用于确定内部叶片振动的一些特征(1,2]。然而,这项工作依赖于假设的压力在套管表面没有明显不同,在叶尖,转子叶片周围的压力分布图发达后叶片振动。

调查的压力在套管表面的振动转子叶片内进行本文通过“调”的三维单向固耦合(FSI)模型涡轮叶片振动阶段使用ANSYS商业数字代码(ANSYS机械和ANSYS排名)。本文还介绍和论述了限制的数值建模复杂的结构,如燃气涡轮发动机,接受FSI,各种简化目前采用这种行为模型。

2。FSI造型要求是什么时候?

最常见的问题,涉及到流体和结构之间的相互作用可以很明智地在各自的领域被建模为非耦合问题。在这些非耦合问题假设另一个域是由与驱动域对驾驶没有反馈影响域。这导致所谓单向固耦合(3]。选择的是驾驶和驱动领域,分别是由整体的知识被调查的问题。例如,空气推动扬声器的声激励,通常,理智被模仿而不需要看的反馈影响驱动空气表面上负载的结构挠度议长。问题,因此一个经典的例子FSI流体之间的相互作用的耦合效应和结构域只需要考虑的一个方向,即流体的结构的影响。另一个例子,相反,流体驱动结构域和被驱动,没有反馈效应之间的领域,在许多民用建筑是动态风荷载。流的动态特性,感受风,提供变量动态驱动负载结构的表面。然而,结构的运动和位移很少有影响的风载驱动这种运动。因此结构可以单独分析,或从风分开,在给定的负载下的兴趣。然而,这并非总是如此,风载在民用建筑,是臭名昭著的塔科马悬索桥坍塌被认为是FSI的结果(4]。Tacoma悬索桥认为倒塌是由于风载下的桥的动态运动引入空气弹性变形的桥面的颤振。桥由风引起的运动产生结构变形量,进一步提高风部队驾驶它的运动,所以,空气和结构相互作用的反馈系统。当这样的情况出现,造型的双向FSI需要承担。这是通常情况下在结构挠度的振幅很大的情况下和/或结构体系是高度兼容。

分析复杂的结构造型范围有限,因此,数值分析通常是必需的。数字解决方案需要最复杂的工程问题驱动的开发和广泛应用有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)数值模拟在各自的结构和流体域。FSI数值模型耦合问题的一个方法是将这两个计算域一起为每个域独立解决,通过从每个域边界条件在每个计算步骤(5]。这个设置独立的数值解决对每个域是所谓的分区求解技巧;这与整体FSI求解过程的耦合边界条件解决了在一起,在每个时间步(两个域6]。然而,值得注意的是,单一的解决仍然经常需要在每个时间步迭代得到的解决方案如果系统是非线性的,这是强耦合域。

尽管双向流固耦合开始更广泛使用在商业CFD /有限元分析软件包,它仍没有达到一定程度的集成和计算效率,使它用于分析复杂结构和流没有显著的交互计算时间和费用。

3所示。目前燃气轮机的FSI造型

流体和结构运动在燃气轮机是一个高度复杂的系统数值模拟。燃气轮机由多个转子和定子叶片阶段,如图1描述了一个定子和转子叶片阶段,相对旋转并产生复杂的流和力在定子和转子叶片。流的全面调查和结构运动在这样一个FSI发动机需要一个三维的双向耦合模型开发。完整的三维双向耦合模型的燃气涡轮转子叶片振动阶段是理论上与今天的商业数字包;然而,计算费用和建立这样的模型是禁止的,似乎没有在可行的范围内数年。商业软件的局限性在双向FSI造型也被其他作者所指出的(7,8]。例如,一个三维单定子和转子叶片行业双向耦合转子叶片表面使用ANSYS Workbench 12.1融合解决方案可能需要数月时间。另外一个例子,该模型本文需要大约4周内获得融合的解决方案。双向耦合,平均而言,可以在计算一个数量级时间更长时间相比单向模式。单向造型并不比纯繁重的CFD模型,除了可以开发更复杂的流由于结构运动的瞬态方法通常需要。

增加这个计算时间显著增加计算费用时出现造型涡轮阶段,作为整个阶段经常需要包括在模型中。为了获得一个完整的分析,叶片数量的行业需要模仿应该普遍率最低的转子,定子叶片的数量。需要增加域模型可以借助图来解释2。在图2(一个)显示了一个二维叶片级联一个阶段与相同数量的转子和定子叶片数量(注意,三个部门已经显示了清晰)。这允许适当的边界条件,一个部门是模仿。流从定子转子/定子连接可以流到转子侧(用黄色突出显示)。在图2(b) noninteger螺距比。在这种情况下,流的连续性从定子转子没有提供。因此为了充分模型同等宽度定子和转子涡轮阶段需要创建域。对于大多数实际涡轮阶段设计,noninteger音高数字是可取的,会导致大量的计算域。例如,一个17定子13叶片和转子叶片需要整个阶段为定子/转子之间流动的连续性。然而,ANSYS的最新版本包括多行的方法,减少所需的计算域允许noninteger音高比率不需要造型整个域(8]。目前还不清楚是否这些多行的方法导致丧失准确性。

除了通常需要大量计算域的完整分析燃气涡轮发动机,涡轮级内流动的非定常自然也需要使用瞬态过程的解决方案。例如,在参考图1相对于定子,转子阶段阶段,导致螺旋桨脉动流和力量。因此大型计算域和瞬态解过程意味着许多简化FSI造型技术产生的燃气涡轮发动机。

最好的作者的知识,一个完整的三维瞬态双向FSI涡轮发动机包括叶片振动尚未实现。最近研发了一些显著的简化模型(我)双向轴流式水轮机的瞬态三维FSI模型;这个不包括前面的定子阶段,所以只考虑静态变形和不包括叶片振动(7];(2)伪二维双向瞬态FSI燃气涡轮转子叶片振动的模型(9];(3)单向瞬态三维FSI的燃气轮机叶片模型进行振动(10];(iv)重要的数值和实验调查单向瞬态三维FSI的涡轮叶片模型进行振动和叶片颤振的影响和套管提示差距11]。

使用谐波平衡方法的解决流体力学是迄今为止最有效的稳态谐波响应形式(12]。谐波平衡方法,然而,似乎并没有在商业软件包在这个阶段。增加的效率降低,因为全瞬变流动或运动应该模仿。忽视了完整的瞬变流动的影响将不会产生实际的叶片运动,但作为主要的压力脉冲谐波的涡轮叶片在操作订单的转速,占主导地位的运动影响仍然存在。

图3显示示意图计算费用的增加FSI建模方法不同,每次使用从完整的三维双向FSI模型简化的假设。单向FSI模型给降低复杂性的选项强制振动叶片表面和解决流体行业的移动边界条件CFD模型转子叶片振动。然而,这些模型没有考虑前面的定子叶片排效果。二维模型给出一个明显减少复杂性通过限制计算域,但这消除了三维流的行为。这种简化不允许解决复杂的三维流动行为之间的差距的叶片和汽缸壁的目的。

在本文给出的模型是一个“调谐”三维单向FSI模型执行转子叶片运动还包括前面的定子叶片域和“曲调”叶片运动考虑转子叶片上的动态压力由于定子传递。这个模型被开发为单向模型的计算效率,包括叶片运动的双向互动的影响和驱动转子叶片上的压力波动。一旦开发这个模型,调查的压力分布在转子叶尖和套管表面进行。

4所示。转子叶片振动

如前所述,燃气轮机叶片的振动是其使用的固有特性,主要由高、低压力的周期遍历从前面的定子叶片行区域。这个过程可以解释,借助图1,通过即可形成转子叶片需要通过定子的流动行涡轮旋转。这个叶片振动被执行在转子叶片数值模拟后,迫使转子叶片截面横向移动到涡轮的攻角。

一个三维的燃气轮机建模如图1,40叶片直径100毫米的中心旋转角速度,500年,rad / s。轴向定子叶片和转子叶片之间的差距是10毫米和各种转子叶片之间的径向间隙的技巧和套管表面,0.5毫米,1毫米和1.5毫米,进行了测试。在实践中最小的差距可能叶尖与套管之间的表面是可取的敏感性这一差距的大小是调查。同等数量的定子和转子叶片被用来减少计算域(如部分中解释3),这样转子叶片的强迫运动给出了定子传递频率最大的20000 rad / s叶尖峰峰振幅为0.15毫米。为了减少计算时间需要解决这个问题,一个三维楔包含一个定子叶片,另一个三维楔包括一转子叶片,如图4(一)、模拟使用在下一节中列出的边界条件。

5。边界条件

下面的边界条件是用来获取时间的解决方案(表1)。

还应该指出的是,转子在500 rad / s域是旋转,如图1,而套管表面是定义为一个固定防滑涂层。

6。转子叶片结构分析和属性设置

转子叶片上的部队现在首次计算出流条件下,将没有任何经验叶片振动。由此产生的转子叶片的运动,由于这些力量计算,这是使用在以后的执行动作的CFD模型。这些力量下转子叶片的响应将在本节中讨论。叶片的材料属性会被修改,以获得所需的0.15毫米的最大叶尖位移。承担在本节是一个经典的传入流量条件下解耦结构分析。

阻尼也做出一个明智的选择来抑制高振动模式有两个原因。首先,第一振动模式往往是最主要的,因此最重要的考虑。其次,限制运动振动模式允许只有一个简单的运动时要观察调查叶尖和套管表面之间的流(这可以避免低通滤波计算结果)的必要性。

6.1。叶片几何

考虑叶片如图5;它有一个长度为150毫米和50毫米的弦长NACA4506气动的状况。

6.2。自然的固有频率和振型

最初的目的一个转子叶片的有限元模型是优化叶片的结构特性(质量密度,弹性模量)第一个叶片的固有频率是放置在左右20%的激励频率(叶片通过频率),如图6。通常必须分离甚至超过20%,以确保系统没有过度兴奋。为本研究之目的20%限制被选中驱动系统接近它的第一固有频率和获得合理的叶片歪斜。

模拟连接叶片的转子,转子叶片有限元分析模型是固定的一端。因此,模型在最简单的配置表示与机翼截面悬臂梁。解析表达式计算给出了悬臂梁的固有频率(1)[14]。的解析表达式1)允许观察的主要属性控制叶片固有频率的行为,因此外部激励,反应: 在那里,:自然频率指数(); :固有频率(rad / s); :边界条件常数;也就是说,; :年轻的弹性模量(Pa); :梁的截面惯性矩(叶片)的横截面设在(m⁴); :质量密度(公斤/米³); :横截面积(m²); :长度(米)。

与40个叶片转子,500 rad / s的速度(79.58赫兹,4774.68 rpm),叶片通过频率、带通滤波器(转子速度乘以刀片服务器)将20000 rad / s(3183.1赫兹)。的选择首先从带通滤波器固有频率在20%意味着第一固有频率是2546.5(20%以下)的刚度控制系统(驱动)或3819.7赫兹(20%以上)质量控制系统(驱动)。这也意味着将在阶段振动响应与激振力刚度控制系统(180度的阶段如果质量控制)。根据感兴趣的引擎和占主导地位的引擎,刚度和质量控制可以在涡轮发动机叶片振动。

实现第一固有频率在3820赫兹时,材料的质量密度()和杨氏弹性模量()进行调整。每个质量密度的弹性模量,这通常被称为特定的刚度或特定的模量需要优化。在航空航天应用程序所需的特定的模量高表明最小结构重量(空心结构)与最小变形量(高弹性模量或刚度)。实现高特定刚度结构第一固有频率3820赫兹左右,质量密度()被选为9公斤/米³,而弹性模量()增加到3×10¹¹Pa。第一个表列出了四个叶片的固有频率2,而相应的模式形状的前三个自然频率,如图7。其中最重要的是第一个模式(纯弯曲)。第二个模式(混合扭转和弯曲)大约是6倍高,同意粗略的计算根据(1)。

6.3。阻尼

模态阻尼与质量成正比,和/或刚度矩阵,是添加到有限元模型。抑制第二和更高的模式和保留第一个模式,阻尼因子(中定义的),(2)[15),是调整,材料特性,来实现这一目的: 在那里,阻尼比的模式; 的固有频率模式。

2%的阻尼第一个模式,()计算年代。这个值()将对应的阻尼比24%左右(严重阻尼)在第二个模式。这对更高的模式会更高,从而抑制它们的效果。响应的抑制高频率模式来避免数值模拟的问题。范围外的自然频率直接兴奋叶片通道,和响应将过滤排除高频率响应在任何情况下,数据已经完成14和15。另外叶片运动与叶片通过信号的相位调制,这已经安排第一模式接近,所以高阶模式频带外的解调。

6.4。推导叶片强迫振动方程(振幅和相位)

转子叶片将兴奋的叶片通过频率(3183.1赫兹)。悬臂梁的受迫振动方程沿其长度及其时间变化量,,在(3)[14]。轴向方向感兴趣的叶片如图5。使用这个模型的挠度刀片沿着它的长度被简化为一个二次方程,所示(4)。应用程序(4)将导致叶片挠曲形状将类似于上图所示的偏转形状图7。转子叶片的偏转是零在转子中心和最大叶尖同时振荡围绕其平衡位置。偏转的空间分布是由“模式”形状方程和接触的时间是由中强调的“时变”一节(4): 在那里, 条款中给出(4)描述如下。(我) :定义在CFD仿真时间步解算器。(2) :转子叶片纵向轴。请注意,值被定义为。刀片的极限鉴于这样零偏差在附件获得转子从转子的中心(0.1米)和最大挠度提示(0.25米)。比例因子成立给0.15毫米的最大挠度。(3)转子叶片已经平均静压下偏转,即叶片起始位置假设它已经偏离的静压。(iv)阶段(3)是来自运行的CFD模型,观察平均压力的自由端叶片的三分之一。压力变化的时期是3183.1赫兹(带通滤波器)。相角是派生的rad 1.2和强迫振动方程中使用,以确保响应(挠度)阶段的压力(激发)。然而,随着模型与强制运行方程,叶片的偏转,产生压力变化而不是相反(这是任何单向FSI的限制假设模型)。(v)叶片振动的振幅是任意选择的0.15毫米。这个值对应的叶片响应压力小费约1000 Pa。谐波响应(总挠度)下一个常数1000 Pa压力应用于一个表面如图8(100 - 30000赫兹,dB-log规模)和放大图9(100 - 5000赫兹线性)。图8,这显示了叶片在广泛响应,表明模型的主要固有频率来自第一固有频率。在图9提示,最大叶片背叛,当叶片兴奋的带通滤波器,显示是0.15毫米。静态位移为0.05毫米,而共振偏转将约0.6毫米。

7所示。CFD解决方法

被认为是可压缩的空气流。一个瞬态求解二阶向后欧拉差分方案用于瞬态项和SST湍流模型与高分辨率的方案用于传输方程中的平流项管理质量,动量和能量。在每个时间步,内部迭代进行直到残差的质量,动量和能量剩余工资低于标准10⁻⁶。1×10的时间步⁻⁶使用年代。

7.1。网格的详细信息

随着叶片变形,流体网格需要遵循叶片的位移;因此,网格扩展和压缩。如图10六面体的元素创建在叶片以及其他计算域。为了充分解决复杂的叶片绕流,增加数量的元素被放置在叶片的表面。总共170万个元素生成的整个领域。

8。调查的压力叶尖与套管之间的表面

现在被描述,建立计算模型,压力振动转子叶尖和套管之间的表面将追究一系列与叶尖间隙的套管表面,即0.5,1,1.5毫米。叶尖和套管表面之间的压力正在调查发现如果有任何压力之间的显著差异在叶尖,套管表面和叶片周围的压力曲线是否遵循它的运动,因为它是绕着它的平衡位置的振动。

在转子旋转和随后的执行转子叶片振动,高压地区,正如预期的那样,保持叶片下面机翼和低压区域保持高于叶片机翼。这也观察到叶尖;参见图11(我),显示了压力轮廓表面位于半径等于叶尖,为0.5毫米的差距的情况下,maximum-minimum-mean叶片挠度值。有趣的是,压力的形状在叶尖截面轮廓表面,人物11(我),类似于轮廓在汽缸壁的压力,人物11(二);然而,压力的大小略有不同。

由于叶片周围的低和高压地区,逃离高压地区流向低压地区通过叶尖和套管之间的差距。这导致叶尖涡,它很好地记录了先前的研究人员(11]。梢涡的发展可以看到在图12 (b)每个刀片间隙,看到更清楚的图13。它可以指出,梢涡增加提示差距变得更发达。本研究的目的是检查这个漩涡没有极大地影响压力之间的关系在叶尖和套管内壁,至少在小间隙。

定子和转子叶片的攻角选择保持光滑的叶片绕流,没有分离,如图12(一个)。这个流的平滑运动继续沿着转子叶片的长度,不包括5毫米的叶梢顶部,在分离流的观察,可以看到在图12 (b)。

现在,见图11,压力似乎非常相似的形式在套管表面,在叶尖。转子叶片周围的压力曲线是否遵循叶片运动的振动却是不容易调查图的使用11。这将会更深入地研究通过观察压力沿三行整个叶片行业宽度在叶片的振动。这三行是位于叶尖,提示在套管表面之间的中途;参见图4。

压力曲线在转子叶片的宽度,在这些线,三个实例的时候叶尖挠度最大值,其均值,在其最小挠度数据中可以看到(14日),14 (b),14 (c),分别。数据14 (d),14 (e),14 (f)然后显示第一次谐波,在太空中,在折线的压力相应的位移。数据14 (d)- - - - - -14 (f)仅仅是低通滤波的结果数据吗(14日)- - - - - -14 (c)。尽管压力分布数据的大小(14日),14 (b),14 (c)不一样的三线压力,压力分布通常是类似的形状,只有不同叶片的顶部和底部表面。比较主要的第一次谐波之间的压力分布显示了几乎相同的匹配在套管表面的压力,在叶尖,如图14 (d),14 (e),14 (f)。这绝对是明显的从观察图14套管表面的压力分布在叶片通道非常类似于在远处,测量叶尖对应。

图14比较了压力分布在转子叶片部门不同的提示/套管差距在一个即时在叶片振动。图15看着整个转子叶片压力分布的变化部门在一个位置,例如,在叶片叶尖延展性。从观察图15可以看出,这些第一次谐波之间几乎没有移相压力分布;然而,有一个相对显著改变大小。因此,压力分布是由压力振荡振幅调制在叶片通过频率对应的时期。这调幅的压力是在进一步分析应该考虑内部压力信号的可能使用的燃气涡轮发动机叶片振动的测量。

压力的关系在叶尖之间的差距和套管表面如图16。参见图4压力分布的径向线的绘制三个叶片歪斜。沿着线的一般形状压力分布可以看到在叶尖间隙是相似的。虽然压力分布相似形状的差距三个叶片偏转位置,可以看到大小不同。认为这个大小差异是由于不同叶尖泄漏(或流对面一侧的叶片在gap)其他导致转子和定子在不同角度互相抵消这些时间。

数据17和18显示的谐波特性压力套管表面和叶尖。在图17压强是观察到的两个定子传递时间在套管表面好像探针插入套管。因此转子叶片将旋转过去的这一点上,同时也对自己的平衡位置来回摆动。固定探针位于套管表面,叶片周围的压力将被调制的振动运动和运动的旋转叶片的阶段。这将导致定子传递频率的高次谐波(1),将彼此的阶段。三种不同的压力与时间痕迹与叶尖间隙套管表面似乎都显示这一趋势定子高次谐波的频率。第一次和第二次谐波的频率对应于定子传递期间,0.0031年代,清晰可见。

图18显示了压力在叶尖和套管表面,仿佛一个探测器放置在随后的流体旋转叶片。压力痕迹也遵循叶片旋转时倾向于不同谐波与定子传递期间,由第一谐波和谐波通常都是彼此在阶段。再一次产生的压力在叶尖和套管表面显示类似的趋势。结果1.5毫米的差距,然而,做改变更重要的是,这被认为是由于在叶尖泄漏流就越大。

9。结论

工作提出了旨在呈现的当前状态的艺术FSI燃气涡轮发动机的数值建模和开发计算有效的单向FSI模型可以开发在当前商业ANSYS软件包。这个数值模型转子叶尖振动之间的压力差和套管表面被调查有两个目的:(我)显示如果压力在叶尖明显不同于套管表面;(2)调查如果转子叶片周围的压力曲线遵循它的运动,因为它对其平衡位置振动。

三维CFD“调谐”单向FSI单个定子和转子模型阶段,与转子叶片振动。这个模型执行结构转子叶片的运动。转子叶片运动计算的压力将礼物如果没有叶片振动,但仍包括转子/定子相对旋转。这允许正确的振幅和相位的结构运动中使用单向CFD模型。以这种方式建立一个FSI模型给出了单向FSI模型的计算费用降低,但允许正确的偏转结构应用于流体域的边界。

尽管压力在套管表面确实不同于转子叶尖,结果数据11,14,15,18通常显示在套管表面压力和转子叶尖有相似的趋势和相互的代表和几乎相同的占主导地位的第一空间谐波的压力分布。这两个位置之间存在的差异被认为是由于这在叶尖泄漏流和叶尖漩涡发展。从显示的结果也得出结论,转子叶片周围的压力曲线往往遵循它的运动。它也表明,涡轮的内部压力是由叶片振幅调制传递。然而,由于这两个整数的定子转子叶片和叶片相对较小的动态挠度,进一步调查这两个效应的重要性需要进行更加确凿的评估。