Page 221 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 3 期 唐新姿，等： 非谐分流叶片对离心压气机叶轮气弹稳定性影响分析 821

验结果表明，使用正向的安装角失谐可以增强气动 进口处外径 29.5 mm，叶轮出口直径 50 mm，叶轮进
［5］
弹性稳定性。王延忠等 采用能量法分析了不同偏 口角为 21.6°，叶片出口角为 55°，包角为 60°，叶顶间
置均匀分流叶片周向角对离心压气机气动阻尼的影 隙为 0.3 mm，离心叶轮出口宽度为 2.18 mm。
［6］
响。郭雪莲等 基于能量法并根据与结构等效的黏
1. 2 非谐设计方法
［7］
滞阻尼比估算模态气动阻尼。杨晓东等 通过数值
分析和能量法研究了栅距变化对气动阻尼的影响， 初始叶轮叶片均匀分布，每个分流叶片的周向角
研究结果表明，栅距中非谐交替量增加会导致两相 为 60°。在此基础上，将分流叶片周向角取值按正弦
邻叶片气动弹性稳定性差异明显。LENG 等 使用 函数计算，得到分流叶片非谐设计叶轮，简称非谐叶
［8］
四种不同间距非谐方案对压缩机叶片周向不均匀的 轮 。 分 流 叶 片 布 置 示 意 图 如 图 2（a）所 示 ，图 中 ，
非定常载荷和气动声学进行了研究，结果表明，非谐 i，i +1，i +2，⋯，i +n 为 均 匀 分 布 的 分 流 叶 片 ，i′，i′ +1，
叶片间距可以极大地改变叶片的非定常载荷，并将 i′ +2，⋯，i′ +n 为非谐设计的分流叶片。正弦函数如下式
［9］
声能扩散到更宽的频率范围。EKICI 等 和 PHAN 所示：
等 ［10］ 研究了气动失谐对涡轮叶片颤振稳定性的影 θ ′ i = θ i + Δθ max sin ( Aθ i + φ 0) （1）
响。ZHANG 等 ［11］ 对非均匀栅距涡轮叶片进行非定 式中， θ i 为均匀分布的分流叶片周向角； Δθ max 为分
常建模，研究结果表明非均匀叶片可以抑制转子叶 流叶片偏置幅值；A 为周期数目； φ 0 为初始相位角。
片非定常气动激振力。牛永红等 ［12］ 研究了不对称静 根 据 文 献［15⁃18］，考 虑 偏 置 角 度 范 围 不 宜 过
子分布对转子叶片响应幅值的影响。郑赟等 ［13］ 探讨 大，不超过均匀分布主叶片周向角的±15%（即 9°），
了导叶非均匀布局对气动激励的作用，导叶非均匀 本文非谐叶轮偏置幅值分别取为 8°、6°、4°、2°，标记
分布导致气动激励分频，从而对气动响应幅值分布 为 非 谐 叶 轮 A1~A4；周 期 数 目 A=2；初 始 相 位 角
产生影响。SAJEDIN 等 ［14］ 研究了涡轮增压器径向 φ 0=0°。结合式（1）得到非谐叶轮分流叶片周向角
涡轮叶片厚度对黏性颤振的影响，结果表明增大叶 取值，如图 2（b）所示。
片尾缘半径可以提高叶轮气弹稳定性。
为探究分流叶片周向角非谐设计对离心压气机
叶轮气弹稳定性的影响，本文采用三维非定常数值
分析并结合能量法，对比分析不同正弦非谐设计参
数叶轮的气动阻尼特性、气动功密度和叶片表面非
定常气动力频谱特性，获得非谐设计参数对叶轮气
弹稳定性的影响规律和影响程度，揭示分流叶片非
谐设计对叶轮气弹稳定性的影响机理，为离心压气
机叶轮性能提升提供理论依据和技术参考。

1 研究对象与研究方法

1. 1 研究对象

图 1 为初始叶轮三维模型示意图，该叶轮共有 6
个主叶片和 6 个分流叶片，所有叶片均匀分布，也称
均匀叶轮，设计流量为 0.05 kg/s，非设计工况流量为
0.03 kg/s，转速为 135000 r/min，进口处内径 12 mm，

图 2 分流叶片周向角非谐设计
Fig. 2 Non-harmonic design of circumferential angle of
splitter blades

以非谐叶轮 A1为例，6个分流叶片偏置后的角度
图 1 压气机初始叶轮三维模型 分别为 0°、66.9°、113.1°、180°、246.9°和 293.1°。同理，
Fig. 1 3D model of the initial compressor impeller 其余非谐叶轮 A2、A3、A4分流叶片周向角依此类推。