民机系统发动机转子爆破特定风险分析方法

基于美国联邦航空局咨询通告给出的发动机非包容转子爆破特定风险安全性评估指南,提出了一种简单易用的发动机非包容转子爆破安全性分析方法。建立了简化的转子碎片碰撞角度计算模型,以确定受转子碎片影响的系统部件;改进了失效部件组合检查单,提高分析工作效率,并确定转子碎片对系统的安全性影响。相比于传统分析方法,简化了转子爆破风险安全性分析过程,减少了分析工作量,适用于飞机系统研制初期对转子爆破风险的危害性进行保守性评估,以指导系统架构优化设计。     

氦气涡轮转子系统整体数值仿真研究

针对氦气涡轮转子系统中各构件复杂的非线性接触关系及结构强度问题,采用Pro/E建模软件对氦气轮机转子系统进行了3维实体造型,并利用ANSYS软件进行了数值仿真强度分析。真实模拟了涡轮转子在4种工况下的应力分布以及变形趋势。结果表明:除接触应力和开孔处应力较大外,在转子轴系整体强度计算中,各级轮盘盘心处应力较大。根据各工况下的计算结果比较分析得出,离心力对盘心处的应力影响最大,对温度场的影响次之。     

整体压气机转子结构优化设计

以航空发动机整体压气机转子优化设计分析为工程背景,建立整体压气机转子的优化模型,选择重量最轻为目标函数,进行轴对称热弹塑性有限元分析,采用设计尺寸、局部应力、局部低循环疲劳寿命、轮盘破裂转速等约束函数,同时还在形状描述方式、自动分网、灵敏度分析、后处理接口等方面作了大量研究工作,在此基础上研制了整体压气机转子优化设计程序,并应用到实际压气机转子和涡轮盘优化设计,在满足强度和寿命要求的同时。      

周向均布拉杆转子预紧力的确定

对周向均布拉杆转子进行考虑接触的三维有限元应力分析,揭示了不同拉杆预紧力和运行工况下拉杆转子的应力分布及界面接触状态演化规律.计算结果表明:拉杆转子在传递功率和横向载荷时,接触界面会发生局部分离和滑移,导致其承载能力小于整体转子;随着预紧力的增加,拉杆转子能够传递更大的载荷,但最大应力显著增加,降低了材料的强度裕度.根据得到的拉杆转子应力水平、接触界面应力分布及接触界面切向力与法向力的比值,给出了保证转子结构完整性和结构强度要求的拉杆预紧力确定方法,为此类转子预紧力的确定提供了参考.      

航空发动机过渡态典型热端部件热响应分析

为满足航空发动机方案设计阶段结构分析及强度寿命评估的要求,必须提供相关零件稳态和过渡态热状态数据。应用1维解析方法和数值方法分别对薄壁类和轴对称缘盘类热端部件进行了过渡态热状态计算分析,得到带涂层叶片、盘及机匣平均温度随发动机状态的变化,并依此分别进行了各零件热响应分析;由热响应分析结果得到了高压涡轮转子和机匣过渡态热伸长量,并进行了过渡态的热间隙分析,为结构分析提供输入;计算结果与采用ANSYS软件计算的结果偏差普遍在3%以内,说明计算方法合理,可适用于方案设计阶段过渡态热端部件热状态计算。     

航空发动机转子装配优化技术

转子装配优化技术是通过优化转子各部件之间的安装角度,达到控制转子不同心度和初始不平衡量的目的。详细阐述了基于转子部件跳动测量,计算转子旋转轴线与部件惯性轴之间的偏差,进而计算转子不同心度和不平衡量的估算方法;提出了针对转子不同心度和不平衡量双目标优化原则,并采用蒙特卡洛仿真法对随机装配过程、单目标装配优化过程和双目标装配优化过程进行仿真,通过验证表明,转子装配优化技术达到了改善转子装配质量的目的。     

转子强度整体求解的有限元柔度计算法

本文对既有径向过盈又有轴向预紧、结构复杂的转子的整体强度提出一种计算方法,即先用有限元素法求转子各子结构联接节点柔度,再求联接节点内力,最后求出各子结构变形与应力。其优点是使转子与各子结构间的力学关系清晰,并可在小型计算机或微机上求解大题目。本文提供了该方法的力学模型与基本方程、计算方法和算例。      

航空发动机初步设计阶段涡轮流道多学科优化设计分析方法

针对航空发动机涡轮初步设计阶段,在完成气动流道初步设计的前提下,综合考虑气动流道与叶片轮盘关键结构特征的制约和平衡关系,建立了关于高压涡轮气动流道和转子强度分析的多学科优化模型,进行了以气动流道效率和转子结构质量为目标函数的涡轮流道多学科多目标优化,优化后涡轮转子最大径向应力和最大周向应力分别下降4.62%和10.63%,同时危险截面处的平均径向应力和周向应力也分别下降了42.99%和3%,使涡轮部件气动和结构强度的多学科综合性能提高3.41%.     

涡轮转子无螺栓挡板过渡态热固耦合响应分析

采用有限元方法间接耦合方式分析航空发动机涡轮转子过渡态热和变形响应,获取无螺栓挡板过渡态热与机械载荷共同作用下涡轮转子的温度场、变形和应力历程。结果表明,过渡态下的无螺栓挡板与涡轮盘径向配合面受力及挡板自身应力分布均与稳态下的差异明显,且过渡态无螺栓挡板应力峰值大于所有稳态值。为保证涡轮转子无螺栓挡板过渡态下工作安全可靠,应关注其过渡态响应特性。此结论可为航空发动机涡轮转子无螺栓挡板过渡态响应分析与无螺栓挡板设计提供工程参考。     

基于中子衍射技术的航空发动机部件残余应力测试分析

为了研究航空发动机典型部件内部残余应力分布，介绍了材料残余应力常用的测试分析方法和中子衍射测试分析方 法，并对各方法的分辨率和穿透深度进行了对比，详细阐述了中子衍射技术在航空发动机机匣、叶片、涡轮盘等部件的残余应力测 试分析及材料微观变形机理研究方面的应用。与其他残余应力测试方法相比，中子衍射测试分析方法具有穿透能力强、分辨率高等 优点，能够准确、无损地测试和分析材料的内部残余应力，可用于测量材料或工程部件的3 维残余应力，为评估航空发动机部件的 安全性和可靠性提供依据。     

轴/径向耦合式球转子非接触式压电作动器的研究

本文提出了一种基于逆压电效应的轴/径向耦合式球转子非接触式压电作动器,由轴向悬浮装置及径向悬浮装置组成,且两者均可形成行波,为球转子提供悬浮力和驱动力。由于轴向悬浮装置和径向悬浮装置的工作模式可进行不同组合,使得被诱发出的声场具有不同耦合强度的悬浮和旋转驱动力,进而球转子可获得不同的悬浮和转速效果,易于对球转子进行状态控制。建立了轴向悬浮装置及径向悬浮装置的有限元模型,对定子进行了动力学分析与设计,确定了结构方案,并加工、制造了样机。通过试验得到了定子的振动参数、轴向悬浮装置的悬浮及驱动特性,结果表明轴向悬浮装置可成功的悬浮和驱动球转子。     

研究转子内流动的大尺寸轴流压气机实验装置和动态测量技术

本文在评述国外同类技术的基础上,介绍近年研制成的,以研究转子内流动为主要对象的低速大尺寸轴流压气机实验装置和动态测量技术,包括实验台、旋转四坐标全电动探针位移机构、并行多通道高速数据采集器、高频压力探针及一整套高频压力探针、热丝和激光多普勒动态测量技术,列举了典型的转子内和转子进、出口复杂流场测量结果。      

球面磁悬浮万向飞轮转子轮盘优化设计

为实现磁悬浮飞轮的磁路解耦,消除磁轴承相互干扰,提出一种球面磁悬浮万向飞轮转子方案,采用轴向和径向两个球面磁阻式磁轴承控制转子的3个平动自由度,结合洛伦兹力磁轴承实现了磁悬浮飞轮转子五自由度全主动控制、全通道磁路解耦,以精确控制飞轮转子万向偏转,为提升磁悬浮飞轮姿态控制力矩带宽和姿态敏感精度提供了方案支持。根据球面转子结构特性,以质量为优化目标,以一阶共振频率、最大等效应力、刚体位移、极转动惯量、惯量比、质心与形心距离为约束条件,利用多学科优化软件iSIGHT集成ANSYS有限元分析软件,选取序列二次规划算法,对球面转子轮盘进行优化设计。结果表明,在满足设计指标的同时,轮盘质量降低了2.98%,质心与形心的距离大幅降低了1个数量级,仅为12 μm,转子高速旋转时的刚体位移为13.65 μm,有效保证了球面转子在工作时的稳定性和可靠性。     

航空发动机转子轴向力动态特征测试技术

以航空发动机止推轴承轴向力为研究对象,基于应力环法的测量原理,发展出一种新的适用于转子轴向力动态特征测试技术。基于固支梁模型设计了扇形支点的应力环传感器,通过理论分析和有限元仿真验证结构设计的合理性,并对应力环传感器测量的灵敏度和静态特性指标进行量化表征。某型航空发动机整机轴向力试车结果表明:转子轴向力中存在不可忽略的动态交变载荷,其峰值与轴向力稳态值的比值为6%~29%。频域分析发现,引起轴向力动态交变载荷的频率成分包括转速基频、转速2倍频及34、68 Hz。相位分析表明,34 Hz与68 Hz引起的动态交变载荷使应力环传感器周向测点的时域波形发生相位同步变化,符合轴向的振动特征;转速基频与2倍频引起的动态交变载荷则沿应力环传感器周向进动变化,符合转子不平衡特征。      

轴流压气机小流量状态转子叶尖泄漏涡三维紊流特性

用三维激光多普勒测速系统测量研究了低速大尺寸单级压气机在小流量状态下转子叶尖泄漏涡的三维紊流特性。结果表明,小流量状态下叶尖泄漏涡是引起压气机转子内尖部紊流脉动的主要因素之一,造成的高紊流区沿流向逐渐扩大,并较迅速地向通道中部和低叶高方向移动,紊流强度值随旋涡的增强而增大。在泄漏涡影响区域中,径向紊流强度水平最高,轴向和切向紊流强度水平相近,3个剪切应力中,轴向—径向最大,切向—径向次之,轴向—切向最小。在 80 %弦长附近,泄漏涡发生破裂,导致更强、更大范围的紊流脉动。受角区旋涡发展的影响,后半个通道内叶尖吸力面角区在较大范围内紊流脉动强,剪切应力大。      

基于转子轴向通风孔尺寸及拓扑结构的电机性能研究

针对传统路法在定量分析转子轴向通风孔尺寸对电机性能影响时表现出的狭隘性,以1台400 kW、6 000 V高压异步电动机为例,建立了场-路耦合的二维瞬态电磁场时步有限元模型,分别对不同的转子轴向通风孔尺寸拓扑结构下电机内的电磁场进行了计算,分析了转子轴向通风孔尺寸及拓扑结构对电机内气隙磁密、损耗、径向电磁力等电磁特征量影响的演变规律。以此为基础,探讨了转子轴向通风孔尺寸及拓扑结构对电机起动、运行性能的影响。最后,通过对比电机有限元计算结果与试验结果,验证了计算方法的准确性,为转子轴向通风孔尺寸及拓扑结构的设计和优化提供了理论依据。     

喘振载荷作用下转子系统瞬态响应研究

通过对发动机喘振载荷的空间域和时域分布的分析,提出非对称旋转失速团可产生的径向激振力,使转子系统发生横向振动。发展了利用压力脉动数据判定横向旋转气动载荷的处理方法,对燃气涡轮发动机在喘振载荷作用下转子系统的瞬态响应进行了计算分析。计算结果表明,在由喘振引起的气动载荷上转子系统会产生强迫振动和自由衰减振动相交替的低频周期振动。     

转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响

采用数值模拟方法,分析了转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响.利用CFD程序对进口静叶尾迹作用下的压气机转子叶片排非定常流动进行了数值模拟,并采用所编写的程序将气动载荷转化为有限元模型上的动态压力载荷,进行了结构瞬态响应分析.结果表明:在所考查的轴向间距下,随轴向间距的增大,转子叶片振动应力呈减小趋势,这主要是由于造成压力载荷波动的尾迹强度沿流向是减弱的.