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基于AnsysCFX的涡轮颤振分析方法
研究
姓名：姚翔
职务：AE
公司：AnsysChina
目录
1?工程背景介绍
2?基于ANSYS软件的叶片颤振分析
3?基于ANSYS软件的叶片受迫振动分析
4?成功案例
ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020
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工程背景介绍
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工程背景介绍
?叶片失速颤振问题是叶轮机械行业需要面对的重大挑战！
航发/燃机低压压
气机叶片转速高、
背压高，亟需确
定颤振边界
涡扇发动机风扇
叶片展弦比大、
气动载荷大，易
发生气弹问题
涡轮增压器离心
压气机转速超高、
压比高，易发生
颤振问题
蒸气轮机末级叶
片背压高、负攻
角大，经常发生
失速颤振
ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020
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工程背景介绍
SurgePeakEff.Choke
100%rpm
85%rpm
?压气机/涡轮叶片振动容易导致叶片发生断裂失效
‐叶片工作环境恶劣
70%rpm
?叶片工作环境温度较高
50%rpm
?叶片转速超高，承受极大应力
?叶片承受的阻尼较小
?航发为减重叶片质量一般较小，更容易发生颤振CorrectedMassFlow
只考虑气动时压气机特性线
?叶片颤振分析难点
‐叶片瞬态分析计算成本极高
‐计算容易发散
‐操作流程复杂
SurgePeakEff.Choke
100%rpm
85%rpm
70%rpm
50%rpm
Flutter
CorrectedMassFlow
综合考虑颤振时压气机特性线
ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020
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基于AnsysCFX的叶片颤振
分析
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基于ANSYS软件的叶片颤振分析
?ANSYS提供高效的叶片颤振分析
方法
‐基于Mechanical计算自然振动频率等信
息
‐基于CFX进行叶片稳态气动分析作为气
动初场
‐基于CFX独有的瞬态叶栅TBR模型，设
定叶片节径数和振动频率，进行叶片
瞬态单向耦合颤振分析
‐根据计算所得阻尼系数判断可以预测
叶片是否会发生颤振
ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020
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基于ANSYS软件的叶片颤振分析
?ANSYSMechanical计算叶片自然振动频率及模
态
‐颤振一般发生于叶片自然振动状态下
‐基于Mechanical对叶片初始几何进行网格划分、静力
学分析
‐基于Mechanical对叶片进行模态分析，计算叶片的自
然振动频率和振型
‐输出包含叶片振动频率和振幅等信息的Profile文件
ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020
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基于ANSYS软件的叶片颤振分析
?ANSYSTurboGrid划分叶片流体域网格，CFX计算叶片稳态初始流场，作为后续分析初始流场：
压气机叶片几何叶片结构网格划分稳态初场设置
三维速度流线图50%叶高速度矢量图50%叶高马赫数云图
ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020
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基于ANSYS软件的叶片颤振分析
?CFX瞬态叶栅模型(TransientBlade
Row)
‐相邻转静叶片排有不同的叶栅栅距
如何以较低计算成本获取精度近似于全环
瞬态仿真的结果？
‐叶片数目不同，各转静叶片排的单个叶
片通道的角度一般不同
‐ANSYSCFX提供TBR模型可有效减少非定
常仿真所用通道的数量
‐根据栅距比的大小，提供不同的具体处
理方法
?采用CFX瞬态叶栅模型（TBR模型）
?TBR模型可有效减少叶片通道数量
?可在获取非定常计算结果的同时极大的
减少计算资源的消耗
ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020
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基于ANSYS软件的叶片颤振分析
?ANSYSCFX瞬态叶栅模型(TransientBladeRow)
Profile
Transformation
(PT)
Time
Transformation
(TT)
Fourier
Transformation
(FT)
中小栅距比
中小栅距比大中小栅距比均可
?单级叶片
?多级叶片
?进口来流畸变
?单级叶片
?多级叶片
?周期性进口边条
?进口来流畸变
?单级叶片
?叶片颤振分析
?叶片颤振瞬态气动仿真流场获取：
瞬态仿真分析
HarmonicAnalysis分析
Periodicity
treatment
ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020
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基于ANSYS软件的叶片颤振分析
3阶展开HA-FT比瞬态FT方法快16倍以上
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