航空发动机非线性转子系统同步全周碰摩的 温度影响分析

转子和静子碰摩是过程复杂且危害性很大的故障。为研究摩擦热对同步全周碰摩响应的影响,以航空发动机压气机转子为研究对象,考虑其刚度特性,建立了非线性转子系统分析模型,研究了单盘转子摩擦热碰摩响应特性,进行了数值分析,并与未考虑摩擦热效应的碰摩响应进行了对比。结果表明:碰摩处温度径向随相对碰摩点距离的增加呈非线性增大,周向呈对称分布并在30°时几乎等于室温;当考虑摩擦热效应时,发生同步全周碰摩的转速范围整体缩小,转子径向位移增大,摩擦热降低了同步全周碰摩的稳定性。     

摩擦热效应对航空发动机高压转子系统碰摩响应的影响

以航空发动机高压转子为研究对象,采用有限元法建立了考虑摩擦热效应的高压转子热碰摩动力学模型。研究了高压转子的摩擦生热和摩擦热碰摩响应特性,并和未考虑摩擦热效应的碰摩响应进行了对比分析。结果表明,当考虑摩擦热效应时高压转子的最大碰摩力显著增大,碰摩频率也明显增加。高压转子呈现出明显的非线性碰摩特征,同时各结点的最大振幅均比忽略摩擦热效应的最大振幅有不同程度的增大。在实际工程问题中,不应当忽略碰摩热效应对碰摩响应的影响。     

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型，考虑叶片离心刚度的影响，机匣由贝塞尔曲面拟合，风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型，在机匣二节径变形的情况下，计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大，带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低，改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近，或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时，叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。      

考虑多叶片-机匣多点变形转静碰摩模型的机匣响应特征与验证

针对航空发动机叶片-机匣碰摩故障,提出了一种考虑多叶片-机匣耦合振动下的转静碰摩故障模型,该模型在通用的弹性碰摩模型的基础上,考虑了多个叶片与圆盘之间的耦合作用、叶片与叶片之间的耦合作用、叶片与机匣之间碰摩故障以及叶片与机匣之间转静间隙变化对碰摩力的影响,能够模拟机匣单点、局部及整圈,转子的局部和整圈的碰摩规律。将所提出的碰摩模型运用于转子-支承-机匣耦合动力学模型中,利用数值积分获取碰摩故障下的机匣加速度响应规律。利用带机匣的航空发动机转子试验器,进行了转子叶片-机匣的机匣单点-转子全周的碰摩实验,仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的叶片-机匣碰摩新模型的正确有效性。并利用该模型仿真了其他碰摩状态下的碰摩故障特征和碰摩力随时间变化规律。     

旋转叶片-机匣碰摩模型及试验研究综述

结合接触和冲击动力学理论,对旋转叶片-机匣碰摩模型的发展给出了比较全面的综述,重点探讨并对比了多种叶片-机匣碰摩模型,将叶片-机匣碰摩模型分为5类:基于碰撞能量守恒的法向碰摩模型,熔化黏着碰摩模型和可磨耗刮除碰摩模型,连续弹性碰摩模型,脉冲力局部碰摩模型,基于接触动力学的碰摩模型.指出了这5类模型的优缺点及其适用范围,并对目前已开展的叶片-机匣碰摩试验进行了介绍.最后建议了叶片-机匣碰摩模型的发展方向:建立多参数影响的精细法向和切向碰摩模型,通过接触动力学理论来模拟碰撞过程,基于试验数据来修正现有碰摩模型.      

新型叶片-机匣碰摩模型及其验证

针对航空发动机叶片-机匣碰摩故障,提出了一种新型叶片-机匣碰摩模型,该模型在传统弹性碰摩模型的基础上,考虑了叶片数和转静间隙变化对碰摩力的影响,能够模拟机匣单点、多点、局部及全周,转子的单点、多点、局部和全周的碰摩规律.将所提出的碰摩模型运用于转子-支承-机匣耦合动力学模型中,利用数值积分获取碰摩故障下的机匣加速度响应规律.利用带机匣的航空发动机转子实验器,进行了叶片-机匣的机匣单点-转子全周的碰摩实验,发现了机匣振动加速度信号的碰摩特征具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为叶片通过机匣的频率,在数值上等于旋转频率与叶片数的乘积,在频谱高频段出现了叶片通过频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,倒频谱具有旋转频率及其倍频的倒频率成分,仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的叶片-机匣碰摩新模型的正确有效性.最后,在此基础上,仿真计算了多种碰摩模式下的机匣振动特征和规律.      

宽弦风扇叶片造型对碰摩振动的影响规律

基于造型叠加建立了参数化的宽弦风扇叶片模型,利用碰摩动力学研究了叶片造型对于机匣碰摩振动的影响规律。宽弦风扇叶片的复杂几何造型可能会增大碰摩的非线性程度,因此有必要研究叶片几何外型对于碰摩响应的影响。在圆柱坐标系下建立了叶片造型和几何参数间的关系,得到了风扇叶片的参数化模型。利用三次样条拟合简化了叶顶间隙的计算,研究了偏心碰摩工况下基准叶片的振动问题,分析了振动响应、涂层磨损、叶片应力三者间的关联性。基于涂层磨损程度判断不同造型叶片的碰摩特性,实现了针对碰摩-造型相关性的快速分析。计算结果表明:叶根通流角可以显著影响叶身长度,进而改变了叶片固有频率调整碰摩共振的中心频率;叶顶扭转角通过改变最小抗弯刚度方向,可有效减小碰摩共振转速区间;相较于前倾叶片,后倾叶片有着更好的碰摩稳定性。      

喘振载荷作用下风扇转静子碰摩研究

某风扇试验件在进入喘振后发生转静子碰摩故障,转子叶片与其上游静子叶片的尾缘发生碰摩并产生掉块、卷边等损 伤。为明确故障发生的原因,结合数值仿真和试验结果排除了共振和颤振的发生。根据压力脉动数据确定了喘振载荷,并考虑在 喘振作用下轴向力轻载反向、转速升高、机匣变形、静子叶片变形等因素的影响,开展了基于尺寸链的转静子叶片热态间隙分析, 对叶片在喘振载荷作用下的碰摩响应进行了模拟分析。结果表明：在喘振载荷短时冲击作用下,转子叶片向后缘方向产生3.42 mm的 变形,收敛型风扇通道使得径向间隙明显减小,叠加风扇转速升高、轴向力轻载反向等因素,转子叶片叶尖尾缘轴向向后的位移超 出机匣涂层覆盖区域0.41 mm,导致尾缘与机匣基体的径向间隙为-0.44 mm,进而发生径向碰摩;在多次往复的大冲击载荷作用 下,转子叶片向前与上游静子叶片发生轴向碰摩。合理设置机匣耐磨涂层长度和流道倾角可以有效降低喘振过程中碰摩的风险。     

转子-支承-机匣系统碰摩试验及特征提取

针对航空发动机转子系统的结构特征和转静件碰摩的动力学特征,建立了转子-支承-机匣系统碰摩模拟试验器.对叶片与机匣间轻微碰摩和严重碰摩两种工况下转子和机匣振动响应进行了试验测量,并基于连续小波变换和连续小波包能量的时-频分析方法分别对转子和机匣的振动信号进行了特征提取.结果表明机匣响应信号同时包含高频冲击信号和低频摩擦信号,轻微碰摩时以碰撞冲击效果为主,机匣响应主要为高频冲击信号;严重碰摩时摩擦效应增强,可为碰摩故障诊断和识别提供方法和依据.      

航空发动机叶片-机匣碰摩过程的数值模拟

提出了基于隐式-显式相结合的积分方法对航空发动机叶片-机匣碰摩过程进行数值模拟,充分考虑了结构的低频线性稳态响应和碰摩引起的高频非线性瞬态响应.以某高压涡轮结构为例,仿真叶片-机匣碰摩的瞬态动力学过程,分析叶片的动力响应特征.研究结果表明:叶片-机匣碰摩过程中将产生影响应力分布的应力波并在叶身传导,碰摩结束后叶片将以低...     

旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀；考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略；压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%，13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.      

温度与转速对涡轮叶尖径向间隙的影响

给出了考虑温度和转速影响的涡轮叶尖径向间隙的分析计算方法。用ＡＮＳＹＳ有限元软件计算出涡轮叶径向间隙的时间历程变化趋势,其中叶盘径向位移主要考虑温度和转速的影响,机匣径向位移主要考虑温度的影响。该分析计算方法为进一步开展涡轮叶尖径向间隙主动控制的研究奠定一定的基础。     

基于三维实体建模的刷式密封传热机理数值研究

建立了基于三维实体建模的刷式密封传热特性求解模型,在验证数值模型准确性的基础上,分析了刷式密封流场与温度场分布特性,研究了压比、转速、干涉量和热流密度对刷丝最高温度的影响,揭示了刷式密封的传热机理。结果表明:高温区主要集中在末排刷丝与转子面接触位置,刷丝的最高温度随着压比、转速、干涉量和热流密度增加而增大,其中干涉量对刷丝最高温度的影响最为明显。当干涉量从0.1 mm增至0.7 mm时,刷丝的最高温度上升1.61倍;刷式密封热量的主要来源为刷丝与转子表面摩擦产生的热量,其传热形式包括导热和对流换热,摩擦热量通过导热形式进入刷丝和转子,当刷丝与转子之间的接触力增加时,摩擦热量增大,刷丝的最高温度升高,摩擦热量通过对流换热形式在流体和固体之间进行传递,热量散失主要形式为泄漏气流带走部分热量。      

服役工作条件对涡轮转子叶片蠕变寿命的影响

基于Larson-Miller蠕变寿命理论,定量地分析了高压涡轮相对转速、飞行高度H、径向温度分布系数(RTDF)偏离设计状态时对涡轮转子叶片蠕变寿命的影响.结果表明:以叶根位置来看,高压涡轮相对转速从参考状态减小2%,导致叶片温度减小6%,叶片应力减小6%,使蠕变寿命因子从1增大到186.H增大导致叶片温度增大、叶片应力减小.从叶根位置来看,在温度和应力的综合作用下,H偏离参考状态时,蠕变寿命因子减小;而远离叶根位置,温度对蠕变寿命因子的影响越来越大,蠕变寿命因子随着H的减小而增大.RTDF减小导致叶片温度减小,使蠕变寿命因子随之增大.      

转静件碰摩状态下的叶片振动载荷和振动特性测试分析

研究转静件碰摩状态下叶片载荷测试方法,测试叶片在碰摩力的冲击与摩擦力作用下的振动特性,给出叶片和机匣受冲击力的时间载荷和频谱,证明叶片在各种碰摩力作用下不发生共振,只受弯矩作用等现象.为旋转机械转静件碰摩作用下叶片的强度分析提供依据.      

改性酚醛基复合材料的摩擦系数研究

研制了一种准高速列车盘形制动装置用混杂纤维增强改性酚醛基复合材料,在1:1惯性力矩试验台上研究了在干摩擦条件下以不同制动初速度、不同闸片压力实施惯性制动时的摩擦特性,利用扫描电镜对试验后的材料摩擦表面形貌进行观察。试验结果表明:瞬时摩擦系数随瞬时速度的变化与制动初速度有关,高接触压力下的摩擦系数低于低接触压力下的摩擦系数;在于摩擦、一次停车惯性制动条件下,临界使用条件是接触压力为0.82MPa,制动初速度为27.3m/s。摩擦表面生成摩擦膜是摩擦系数变化的主要原因。     

4116航天润滑油摩擦特性的影响因素

采用球盘试验机测定了4116航天润滑油在不同工况下的摩擦因数,尤其成功实现了高低温环境下的测试.应用正交试验设计方法,研究了滚动速度、滑动速度、最大工作压力和入口油温4个因素对润滑油摩擦特性的影响,并绘出各因素对摩擦因数的影响曲线.研究结果表明:滑动速度和滚动速度对摩擦因数有显著影响,入口油温和最大工作压力对摩擦因数影响不显著.摩擦因数随着滑动速度的增加而增加,但是增加的幅度随滑动速度的增加而逐渐减小;随着滚动速度的增加,摩擦因数迅速减小,当滚速高于20m/s时趋于稳定;入口油温低于0℃时,其对摩擦因数有较大影响;随最大工作压力的增加摩擦因数缓慢增加.      

工艺参数对铝合金摩擦挤压增材组织及性能的影响

采用6061-T651铝合金圆棒进行摩擦挤压增材制造(friction extrusion additive manufacturing,FEAM)工艺实验研究,探讨和分析不同主轴转速对单道双层增材试样的增材成形、组织特征和力学性能的影响规律。结果表明:对给定横向移动速度300 mm/min,采用主轴转速为600 r/min和800 r/min均能获得完全致密无任何内部缺陷、厚度分别为2 mm和4 mm的单道双层增材试样,增材整体由细小等轴晶粒组成,增材层间实现冶金连接;800 r/min下工具轴肩的摩擦挤压作用降低,增材层间结合界面呈平直状,塑化金属流动不充分,沉积层宽度较窄、表面成形更粗糙;600 r/min下结合界面经历的塑性变形和热循环更为显著,晶粒细化至6.0μm,但增材界面区软化程度较严重,硬度仅为增材棒料母材的52.7%~56.2%,而800 r/min下界面区的硬度能够达到母材的56.0%~61.3%;在600 r/min和800 r/min下,增材试样均具有优良的综合力学性能,抗拉强度分别达到增材棒料母材6061-T651的66%和70%,而断后伸长率明显较高,分别为母材的212%和169%;与目前其他增材工艺力学性能比较均具有明显的优势。