基于环形板理论的机匣安装边密封特性分析方法研究

针对现代航空发动机机匣安装边密封设计与泄漏评估问题,本文开展了不同安装边结构参数及机匣所受载荷对安装边密封特性影响的研究。根据环形板理论,推导并建立了轴向力、内部气体压力等载荷与安装边形变的关系,据此研究了安装边厚度、高度及螺栓预紧力等对安装边密封性能的影响规律。本文得出安装边根部轴向位移理论解与有限元计算结果相对误差为-2.71%,分离距离与有限元计算结果相对误差为-1.21%,具有很好的工程精度,为航空发动机机匣安装边密封特性分析与泄漏评估提供了一种有效方法。     

组合型机匣处理提高轴流压气机稳定性的机理

用全通道非定常计算方法研究了轴向倾斜缝、自适应机匣处理及两者形成的组合型机匣处理对亚声速轴流式转子稳定工作范围的影响,结果表明:轴向倾斜缝、自适应机匣处理及组合型机匣处理取得的综合裕度改进量分别为12.86%,16.47%及22.72%,其中组合型机匣处理扩稳效果最强,自适应机匣处理次之.通过详细地分析压气机内部流场表明,组合型机匣处理削弱了叶片吸力面气流分离带来的不良影响.从喷气装置流出的高速气流抑制了叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘溢出的现象,部分叶片通道受到轴向倾斜缝的作用,泄漏流线被抽吸入缝中,也能抑制前缘溢流的产生.     

交错式生篦齿封严特性的实验研究

用实验方法研究了交错式篦齿在不同的齿数、轴向间隙比和径向间隙比的条件下，泄漏量随篦齿前后压力比的变化规律。通过分析得到了几个有价值的结论。总结提出了计算其泄漏量的经验公式。计算结果与实验数据吻合良好。     

进口畸变下缝式机匣处理改善轴流压气机性能的研究

为了研究进口畸变下缝式机匣处理改善轴流压气机性能的机理,以亚声速单级轴流压气机的孤立转子为研究对象,在53.4%设计转速下,采用10通道非定常的数值模拟方法,开展进口畸变下轴向倾斜缝机匣处理改善轴流压气机性能的机理研究。采取在进口径向延伸段中部沿周向设置栏杆的方式产生畸变。与进口均匀实体壁机匣相比,进口畸变实体壁机匣的失速裕度改进量和峰值效率改进量分别为-5.88%和-1.44%,而进口畸变带机匣处理的失速裕度改进量和峰值效率改进量分别为24.37%和-1.09%。进口均匀实体壁机匣时,压气机的失速类型为典型的突尖型失速,即由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞所造成。进口畸变引发叶顶处吸力面的气流分离,且气流分离沿周向呈非轴对称分布,进口畸变后叶顶通道内的低速区在很大程度上还是由叶顶间隙泄漏流所造成,只不过相比于进口均匀,叶顶处吸力面的气流分离提前发生,并且反过来又加剧叶顶间隙泄漏流的负面影响,即进口畸变后压气机失速的主要诱因没有发生本质的变化。机匣处理上、下游的喷射、抽吸过程分别对叶顶通道上游、中部的低速区气流起到激励、吹除作用,其有效地抑制了由叶顶间隙泄漏流所造成的叶顶前缘溢流和叶顶通道内压力面附近的回流,进而提高了叶顶通道的流通能力。     

对转压气机中机匣处理的非定常影响

为探究不同形式的机匣处理扩稳机理和损失产生区别，以某两级对转压气机（CRAC）为研究对象，通过非定常数值模拟方法开展了自循环机匣处理（SRCT）和轴向槽机匣处理（ASCT）扩稳机理的研究。结果表明：SRCT和ASCT在近失速点均显著提高失速裕度和总压比，在峰值效率点附近增加效率损失；机匣处理通过作用于叶顶泄漏流和抑制压力势流减弱转子间动-动干涉效应；机匣处理槽内流场与转子相对位置相关，转子周期性的扫掠机匣处理槽增加了轴向槽内流动的非定常性，机匣处理槽内流动掺混是效率下降的主要原因。     

间隙高度对某涡轮叶尖间隙泄漏流影响的研究

利用三维湍流数值模拟方法模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了转子叶尖间隙高度对涡轮转子间隙泄漏流动的影响,详细描述了间隙流动结构随间隙高度的变化情况。研究结果表明:随着间隙高度的增加,间隙泄漏流流量线性增加,并导致转子叶尖附近流体偏转角度减小。间隙高度每增加1%相对叶高,间隙泄漏流量占总流量的比例约增加2.1%。间隙高度变化对间隙内部流动的影响明显:当间隙比较小时,随着间隙高度的增加,分离泡的大小迅速增加,回流区域减小。随着间隙高度的增加,间隙泄漏涡尺度迅速增加,同时由于泄漏流中高速流体流量增加,通道涡远离叶片吸力面并向靠近机匣的方向移动,泄漏涡也向远离吸力面方向运动。     

周向槽轴向位置影响机匣处理扩稳能力的机理

为了揭示周向槽机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理,采用试验与数值方法研究了三种不同轴向位置对机匣处理扩稳能力的影响。试验与数值结果均表明机匣处理轴向位置不变时扩稳能力最强,轴向位置前移次之,轴向位置后移最弱,对应的试验综合裕度改进量分别为10.3%,7.82%及5.65%。通过详细分析压气机叶顶流场表明,周向槽机匣处理轴向位置后移使叶顶前缘区域没有受到到周向槽的作用,叶尖部分间隙泄漏流在叶顶前缘形成低速带并造成进口堵塞。轴向位置前移使叶顶后部区域没有受到周向槽的作用,在叶顶通道出口部分叶高范围内形成低速堵塞区,流通能力弱。轴向位置不变的机匣处理对应的叶顶通道流通能力最强,因此扩稳效果最好。     

航空发动机安装边螺栓连接密封特性试验

通过试验的方法对影响安装边螺栓连接结构密封特性的因素进行了系统分析与研究,设计和搭建了安装边螺栓连接密封特性试验系统,研究了螺栓加载方案、预紧力和螺栓数量对安装边密封特性的影响规律。研究表明:JIS B 2251加载方案可以获得更均匀的预紧力,与其他方案相比,气体泄漏持续的时间长,达到600s,且加载工作量小;增大预紧力可使压力下降的持续时间增加,从6.0kN的400s至7.5kN的540s和9.0kN的650s;螺栓数量的增加使得t=0时刻的泄漏率从2.6cm3/s降到1.7cm3/s,从而提升试验件的密封性能。该研究可为安装边密封特性分析与结构设计提供参考。      

高压涡轮主动间隙控制系统机匣模型试验

设计和搭建了叶尖主动间隙控制系统的核心——可控热变形机匣模型试验验证台,利用机匣温度和变形量等参数的测量,验证了某主动间隙控制设计方案的基本工作特性.试验中通过改变集气腔进气流量,研究了不同试验工况下机匣温度分布规律,获得了机匣径向变形量及其在周向和轴向的分布规律.研究中发现冷却空气管的多孔冲击射流可以有效改变机匣温度,并达到调节机匣变形的最终目的.随着供气雷诺数增加,机匣的热响应时间减小,机匣的收缩速率明显增加,但该增加幅度随着雷诺数的增加而逐步减弱.试验结果表明:机匣径向冷却收缩量基本均匀.由于冷却空气管周向流量分配不均匀,使其周向上最大相对偏差为8.75%.同时冷却空气管结构和供气量差异会导致机匣轴向温度分布不均匀,在该验工况中,机匣径向冷却收缩量在轴向上最大的相对偏差为6.99%.      

机匣安装边接触应力测量方法与分布规律研究

为了实现航空发动机机匣安装边结合面接触应力测量与分布规律研究,基于一种具有超宽压力监测范围的MXene柔性压力传感器建立了机匣安装边接触应力动态测量系统,将其安装在两层安装边之间,并铺设13个测点,根据传感器的电阻变化率时域响应及压力标定曲线,实时获得对应测点的应力变化。将试验结果与仿真结果进行对比,趋势吻合良好,应力误差均低于7%。并开展结构参数与预紧力矩对接触应力影响规律的研究,得到提高密封性能的措施。研究表明,所建立的分析方法和测量系统可以准确实现接触应力的动态测量,影响规律分析可以为安装边密封设计提供参考。此外,研究方法具有普遍的适用性,对实现不同机匣安装边接触应力测量与规律分析具有一定的指导意义。     

基于接触分析方法的机匣安装边密封性研究

针对某型航空发动机外涵机匣开环形槽结构的安装边,建立了包括安装边和连接螺栓的有限元计算模型.采用有限元接触分析方法对安装边结合面的接触应力和接触间隙进行了计算,分析了安装边螺栓孔距、安装边厚度和开槽深度对安装边密封性的影响.结果表明,安装边开环形槽结构有利于密封,适当增加安装边螺栓数和安装边厚度可改善其密封性.     

考虑刷丝变形的刷式密封流场特性与力学特性流固耦合研究

应用双向流固耦合与动网格技术,建立了考虑刷丝变形的刷式密封流场与力学特性双向流固耦合瞬态三维求解模型.首先应用悬臂梁理论建立了刷丝的力学理论模型,将该流固耦合方法计算结果分别与理论模型和实验结果相互验证,在此基础上,分析了刷式密封的流场特性、刷丝的变形规律与应力特性以及刷式密封的滞后特性.研究结果表明:刷丝在气流力作用下会产生摆振运动,刷丝根部所受的应力也随着刷丝摆振运动而呈振荡变化;刷丝变形增大了刷丝与转子面间隙导致密封泄漏量增大,随着刷丝排数的增加,泄漏量先迅速下降,然后下降速度趋缓,最后趋于稳定;刷式密封随着末排刷丝与后挡板轴向间隙的增大,后挡板处相对压力系数逐渐降低,增加末排刷丝与后挡板的轴向间隙可有效降低滞后效应.      

基于补偿切割法的离心泵轴向力控制试验

为解决切割叶轮后盖板平衡轴向力的方法会导致泵扬程和效率降低这一关键问题，提出了一种补偿叶轮后盖板切割量平衡轴向力的方法。采用在同一个叶轮上切割叶轮后盖板和补偿叶轮后盖板切割量的研究方案，开展了泵性能、叶顶间隙压力、前后泵腔及平衡腔液体压力的系统测量。试验研究表明：以原型叶轮在设计流量下的扬程、效率和轴向力为基准，相对切割率为3.81%、7.62%、11.43%时，泵的扬程分别下降了3.52%、6.41%、9.93%，效率分别下降了2.97%、4.59%、6.18%，轴向力分别降低了8.02%、20.57%、22.3%；而补偿叶轮后盖板切割量后，泵的扬程最大降幅仅为4.18%，效率最大降幅仅为2.7%，轴向力最大降幅达到了83.1%；相对于切割叶轮后盖板而言，补偿叶轮后盖板切割量可以使前泵腔压力升高而后泵腔压力降低。     

某型燃气轮机振动特性改进设计

针对某型燃气轮机临界转速设计裕度不足的问题,结合测试结果,使用假设模态法和数值拟合法,对多种方案进行了计算分析,提出并采用了合理的改进设计方案,即将前支点安装边前移,增加轴承机匣轴向长度,将机匣厚度由16mm减小为10mm;使第2阶临界转速距额定工作转速的裕度从5%增加到10%,达到了改善振动特性的目的。     

顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响

隔板与机匣之间留有间隙,间隙的存在势必会对超声速膨胀器的内部流场和总体性能产生影响,为了获得超声速膨胀器内部间隙流动的流动细节,采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,就顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响进行了数值研究。结果表明:膨胀流道出口斜激波导致吸力面压力高于压力面,隔板尾缘附近部分泄漏流体经间隙流回压力面侧;间隙的存在导致吸力面进口及中、后部近下端壁压力上升,而压力面前缘附近压力下降,对比同一隔板位置,间隙高度每增加1%喉部高度,超声速膨胀器隔板载荷系数最高下降2.6%;端壁损失和斜激波损失降低,但产生了泄漏损失,三维流道内总的流动损失增加,膨胀器效率降低,本文研究范围内效率最多下降8.8%;马蹄涡、泄漏涡及二者之间的相互作用是顶部区域的主要涡系结构;前缘附近气流经间隙流到吸力面侧和尾缘附近泄漏流体越过间隙重新流回压力面侧是间隙内气流的主要运动形式。     

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.      

机匣横向安装边螺栓联接结构应力分析

航空发动机机匣多采用安装边螺栓联接结构。为了准确模拟安装边螺栓联接结构对航空发动机机匣的影响,本文利用ANSYS Workbench有限元软件对安装边螺栓联接结构进行仿真计算,应用有限元软件中的预紧力施加模块模拟螺栓的预紧力。通过选择一组不同预紧力大小进行计算,得到预紧力与安装边螺栓联接结构处等效应力及应力强度的关系曲线;通过有限元计算,获得安装边厚度、安装边高度及螺栓位置对安装边螺栓联接结构应力的影响规律,为机匣螺栓联接结构设计提供了参考依据。     

亚声速轴流压气机转子轴对称机匣造型优化的数值研究

以西北工业大学某亚声速轴流压气机孤立转子为研究对象,提出了较为可靠的数值模拟方法,进而采用NUMECA软件包中DESIGN/3D软件块,在峰值效率工况下对该转子机匣进行了轴对称造型优化,最终得到优化转子.优化转子在叶片前缘将叶顶间隙泄漏涡推离叶片吸力面,虽然该结果导致前30%轴向弦长间隙泄漏涡涡量及流动损失有一定程度增大,但是在后70%轴向弦长,优化转子间隙泄漏涡的涡量与流动损失比原始转子有了很大程度降低,从而使得全局损失降低,峰值点效率提高,出口绝对总压增加.优化转子的峰值点效率提升约为0.36%,大流量点效率增加更多,但是近失速点会更早地形成叶顶低速区从而诱发失速,使得优化转子比原始转子稳定裕度略有降低.      

基于流固耦合的刷式密封泄漏特性理论与实验

理论与实验两方面研究了刷式密封泄漏流动特性及影响因素。建立了考虑刷丝变形的刷式密封泄漏流动特性流固耦合理论模型,实验研究了刷式密封泄漏量随进出口压比和转速等的变化规律,并与理论求解模型对比验证。在此基础上,运用理论模型分析了不同结构参数对密封泄漏量的影响规律,验证了构造的刷式密封泄漏量理论计算公式的准确性。研究结果表明:径向间隙一定时,刷式密封泄漏量随压比的增大而近似线性增加,转速对刷式密封的泄漏量影响不大;刷丝直径和刷丝间隙通过影响气体在刷丝束区域有效流通面积来影响泄漏量,有效流通面积越小,泄漏量越小;反之,则越大;随着刷丝直径、刷丝轴向排数的增大,刷式密封泄漏量逐渐降低;随着刷丝间隙的增大,泄漏量逐渐增大;随着后挡板保护高度、刷丝与后挡板轴向间隙的增大,泄漏量先显著增大后缓慢增加,最后趋于稳定;所构造的泄漏量理论公式可以准确预测刷式密封的泄漏量,为刷式密封结构优化设计提供理论依据。