Flutter stability is a dominant design constraint of modern gas and steam turbines. To further increase the feasible design space, flutter-tolerant designs are currently explored, which may undergo Limit Cycle Oscillations (LCOs) of acceptable, yet not vanishing, level. Bounded self-excited oscillations are a priori a nonlinear phenomenon, and can thus only be explained by nonlinear interactions such as dry stick-slip friction in mechanical joints. The currently available simulation methods for blade flutter account for nonlinear interactions, at most, in only one domain, the structure or the fluid, and assume the behavior in the other domain as linear. In this work, we develop a fully-coupled nonlinear frequency domain method which is capable of resolving nonlinear flow and structural effects. We demonstrate the computational performance of this method for a state-of-the-art aeroelastic model of a shrouded turbine blade row. Besides simulating limit cycles, we predict, for the first time, the phenomenon of nonlinear instability, i.e., a situation where the equilibrium point is locally stable, but for sufficiently strong perturbation (caused e.g. by an impact), the dry frictional dissipation cannot bound the flutter vibrations. This implies that linearized theory does not necessary lead to a conservative design of turbine blades. We show that this phenomenon is due to the nonlinear contact interactions at the tip shrouds, which cause a change of the vibrational deflection shape and frequency, which in turn leads to a loss of aeroelastic stability. Finally, we extend the well-known energy method to capture these effects, and conclude that it provides a good approximation and is useful for initializing the fully-coupled solver.


翻译:滑动稳定是现代天然气和蒸汽涡轮机的主要设计限制。 为了进一步增加可行的设计空间, 正在探索飞动耐力设计, 可能进行可接受但不会消失的水平的有限循环循环。 自振振动是一种非线性现象, 因此只能通过非线性互动来解释。 目前叶片滑动的模拟方法将非线性频率互动( 最多只在一个域、 结构或流体) 计算出来, 并假设另一域的行为为线性。 在这项工作中, 我们开发了一种完全组合的非线性循环周期( LCOs) 。 能够解决非线性流动和结构效应。 我们展示了这一方法的计算性性能, 比如, 在机械接合点中, 干线性滑动摩擦摩擦摩擦摩擦。 我们第一次预测的是非线性周期的模拟性波动现象, 也就是, 在另一个域, 结构或流体, 在另一个域中, 将行为表现为直径直线性, 这个平衡点最终能够解决非线性波动的稳定性, 。 我们展示了一种固定性机性摩擦变, 。

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