Page 223 - 《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 823

将本文数值分析计算所得叶轮气动性能曲线 所示，网格数目为 105600，计算所得前三阶振动频率
（图中标记为仿真值）与试验值进行对比，结果如图 5 分别为 535.06、1228.2 和 1795.8 Hz，与参考文献［20］
所示。 结果基本一致，验证了模态分析方法的正确性。
在 模 态 分 析 的 基 础 上 ，叶 片 最 大 振 幅 设 定 为
0.0015 m，时间步长设定为振动周期的 1/100，计算
时长为 30 个振动周期，求解设计转速下零节径振动
叶片在设计工况下的一阶模态气动功与气动阻尼
比。根据叶间相位角计算公式（2），±90°相位角需
要 11 个单流道来进行气动阻尼比计算，±180°相位
角需要 2 个单流道流体模型求解。最终计算所得的
气动阻尼比如图 7 所示，其结果与文献［24］中数值
对比基本吻合，表明所提气动阻尼比计算方法是正
确的。

图 5 气动性能验证
Fig. 5 Aerodynamic performance validation
由图 5 可知，计算值与试验值相吻合，峰值效率
点压比最大误差为 3.3%，效率最大误差为 2.8%，表
明所采用的流场数值分析方法基本正确。

2. 2 气动阻尼比计算方法验证 图 7 气动阻尼比计算验证

Fig. 7 Validation of aerodynamic damping ratio calculation
在进行叶片气动阻尼比计算前，需进行模态分析。
以 Rotro 67为验证案例，选择材料为钛合金（TC4），其
材料属性如表 2 所示，首先进行静态结构分析，叶片 3 结果与讨论
底部施加固定约束，考虑叶片旋转预应力效应，设置

叶片转速为 16043 r/min。叶片结构固体网格如图 6 3. 1 稳态气动性能
表 2 叶片材料属性 表 3 给出了设计和非设计工况下 4 种非谐叶轮
Tab. 2 Rotor 67 material properties 与均匀叶轮的压比和效率的对比。分流叶片周向角
材料属性 单位 数值 非谐设计叶轮 A1~A4 与叶片均匀分布的初始叶轮
密度 kg/m 3 4440.0 在 2 种工况下的效率压比基本保持一致，非谐叶轮
弹性模量 GPa 109.0
A2 非设计工况的效率最大下降 1%。2 种工况下，
泊松比 − 0.34
从稳态流场分析的压力和马赫数分布来看，各叶轮
的差异也不明显（限于篇幅，流场内部云图省略）。
由此可知，分流叶片非谐设计对压气机叶轮稳态气
动性能影响不大。

表 3 非谐叶轮与均匀叶轮气动性能对比
Tab. 3 Comparison of aerodynamic performance of
non-harmonic impeller and uniform impeller
气动性能 工况 均匀 A1 A2 A3 A4
设计工况 2.11 2.09 2.11 2.11 2.11
压比
非设计工况 2.25 2.24 2.22 2.25 2.25
图 6 Rotor 67 叶片固体网格 设计工况 83 83.33 83.28 83.28 83.15
效率
Fig. 6 Rotor 67 solid grid of blades 非设计工况 76.5 76.3 75.71 76.57 76.41