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 存在非均匀叶尖间隙时涡轮转子的稳定性# 胡绚* （湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410082） 5 10 15 20 25 30 35 摘要：涡轮转子与机匣之间存在非均匀叶尖间隙时，将产生一个作用于转子的气流激振力， 并可能使得涡轮转子发生自激振动而失稳。本文采用 2CAD 改进模型与有限元方法，建立了 气动载荷模型与转子结构模型，并将二者进行耦合。利用该流固耦合模型，通过仿真分析得 到了气流激振力作用下涡轮转子系统的稳定边界，讨论了不同参数下气动载荷对涡轮转子系 统稳定性的影响，并分析了气动载荷表达式中阻尼系数和刚度系数在该类稳定问题中所起的 作用。 关键词：流体-固体耦合振动；转子动力学；涡轮；稳定性 中图分类号：TH133 Stability of the Turbine Rotor with a Nonuniform Blade-tip Clearance Hu Xuan (College of Mechanical and Vehicle Engineering,HuNan University, ChangSha 410082) Abstract: With the existence of the non-axisymmetric blade-tip clearance in a turbine, the rotordynamic instability will occur on some conditions, due to a destabilizing aerodynamic force loaded on the turbine rotor. Based on modified 2CAD model and finite element method, a aerodynamic force model and a rotor structural model are presented in this paper, and then the two models are integrated to develope a fluid-solid interaction model. With the help of this coupling model, the analytical and numerical methods have been chosen to obtain the stability boundary of the turbine rotor system, and the effects of the aerodynamic forces on the stability of the rotor system are examined with different parameters. Furthermore, the function of the aerodynamic damping and stiffness in this kind of problems are also investigated. Keywords: Fluid-solid coupling vibration; rotor dynamics; turbine; stability 0 引言 在汽轮机、航空涡轮发动机等涡轮机械中，由于涡轮转子的偏心涡动或者机匣变形，转 子叶片叶尖与机匣之间的间隙变为周向不均匀，从而会产生一个气流激振力引起转子振动加 剧甚至失稳。 随着性能和转速的提高，涡轮机械的气动负荷随之增加，非均匀叶尖间隙引起的气流激 振力也随之增大，所以该气流激振力存在时涡轮转子的稳定性问题一直为国内外技术人员所 关注。1958 年，Thomas 首次提出了叶轮偏心转子的气流激振力问题[1]，随后，Alford 提出 了气流激振力计算公式[2]： FAlford?? T?? e Dm H  (1) 上式中， T 为扭矩，?? 为激振力系数， e 为偏心量， Dm 为叶片中央处直径， H 为叶 片高度。由于该公式被广泛采用，所以这类气流激振力也被称为 Alford 力。自上世纪中期 40 [1]-[5] ，其分析方法也日趋成熟。 双耦合激励盘（Two Coupled Actuator Disk,2CAD）模型，是一个由 S.J.Song 与 基金项目：教育部博士点新教师基金（200805321014） 作者简介：胡绚，1978-），男，讲师，主要研究方向：转子动力学，气固耦合力学。E-mail: hu_xuan163@163.com -1-  [4][5] [7] 建立了联系气动载荷与转子结构的流固耦合模型