基于谐响应快速分析法的轴流式压缩机叶片表面周期性动应力分析

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.02.008

摘要/Abstract

摘要：

为了减少计算资源消耗并缩短计算时间，获得压缩机转子叶片在周期性非定常气动干涉作用下的叶片表面动应力，创新性地采用剖面边界条件，结合参数设计语言的方法，基于叶片气动载荷的完整映射分布进行了谐响应快速分析，并研究了不同压比、转速下的转子叶片表面动应力。结果表明，通过谐响应快速分析法能准确获取转子叶片表面动应力，叶片表面动应力波动峰值的主导频率为动静干涉频率的倍频，其中以1、2、3倍频为主要频率；随着压比的增加，叶片表面动应力逐渐减小，但主导频率基本不变；随着转速的升高，叶片表面动应力逐渐增大，其主导频率也相应提高。研究结果可为轴流式压缩机在受到周期性动静干涉作用下的转子叶片表面动应力分析提供支持与参考。

关键词: 轴流式压缩机, 叶片表面动应力, 周期性激励, 谐响应分析, 快速计算

Abstract:

In order to obtain the dynamic stress of the compressor rotor blades under periodic unsteady aerodynamic interference with reduced computational resources and time, an innovative method combining sectional boundary conditions with parameter design language was employed. This method enables rapid harmonic response calculations based on a complete mapping of the aerodynamic load distribution on the blades.Using this approach, the dynamic stress on the rotor blade surfaces was analyzed under varying pressure ratios and rotational speeds.The results indicate that the proposed rapid harmonic response method can accurately determine the dynamic stress on rotor blades. The dominant frequencies of the dynamic stress fluctuation peaks are harmonics of the rotor⁃stator interaction frequency, primarily the first, second, and third orders. As the pressure ratio increases, the dynamic stress on the blades gradually decreases, while the dominant frequency remains essentially unchanged; conversely, as the rotational speed increases, the dynamic stress on the blades gradually increases, and the dominant frequency correspondingly increases. The research findings provide support and reference for the analysis of dynamic stress on rotor blades of axial compressors subjected to periodic dynamic⁃static interference.

Key words: Axial flow compressor, Blade dynamic stress, Periodic excitation, Harmonic response analysis, Rapid analysis method

中图分类号:

TB652

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图/表 16

表1 压缩机的设计参数

Table 1 Design parameters of compressor

参数	数值
设计转速/（r·min^－1）	37 000
一级转子叶片数量/片	28
一级静叶叶片数量/片	29
二级转子叶片数量/片	25
二级静叶叶片数量/片	27
进口轮毂直径/mm	104
进口叶顶直径/mm	184
出口轮毂直径/mm	136
出口叶顶直径/mm	184
轴向长度/mm	365

图1 流场分析单通道网格示意图

Fig.1 Schematic diagram of single?channel mesh for flow field analysis

图2 网格无关性验证结果

Fig.2 Results of mesh independence verification

图3 监测点的静压变化曲线

Fig.3 Static pressure variation curve of monitoring points

图4 叶片监测点的频域信号

Fig.4 Frequency?domain signals of blade monitoring points

表2 气动激振力的主要频率成分

Table 2 Main frequency components of aerodynamic excitation force

阶次	频率/Hz
一阶	15 547
二阶	31 503
三阶	47 051
四阶	63 007
五阶	78 555

图5 气动载荷输出流程

Fig.5 Output flow of aerodynamic load

图6 第1级转子叶片有限元分析网格（a）压力面（b）吸力面

Fig.6 Finite element analysis of the first?stage rotor blade

表3 转子叶片材料参数

Table 3 Material parameters of rotor blades

参数	数值
弹性模量/GPa	196
泊松比	0.3
密度/（kg·m^－3）	7 800

图7 主要频率分量下的叶片表面动应力分布云图

Fig.7 Contour map of blade dynamic stress distribution under main frequency components

图8 基于瞬态结构分析的转子叶片表面等效应力分布云图

Fig.8 Contour map of equivalent stress distribution of rotor blades based on transient structural analysis

图9 振动响应信号对比

Fig.9 Comparison of vibration response signals

图10 不同π*下的叶片表面动应力

Fig.10 Dynamic stress on blade surface under different π*

图11 π*对叶片表面动应力频域特性的影响

Fig.11 Effect of π* on frequency?domain characteristics of blade dynamic stress

图12 不同转速下的叶片表面动应力

Fig.12 Dynamic stress on blade surface under different rotational speeds

图13 转速对叶片表面动应力频域特性的影响

Fig.13 Effect of rotational speed on frequency?domain characteristics of blade dynamic stress

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