航空燃油柱塞泵滑靴静压润滑油膜计算分析

滑靴与斜盘是一对重要的摩擦副,滑靴与斜盘之间的油膜润滑性能对燃油柱塞泵的使用寿命有很大影响.通过数值计算,得到了排油区滑靴油膜厚度与转子转角、斜盘倾角、油池压力、柱塞压紧力之间的变化规律,建立油膜厚度变化的微分方程,给出在吸、排油一个周期内,滑靴油膜厚度的动态变化规律.利用油膜计算方法,可以分析滑靴运动一周,滑靴与斜盘间的油膜润滑状态,从而为合理设计航空燃油柱塞泵滑靴与斜盘摩擦副提供理论依据.      

燃油柱塞泵滑靴副和配流副油膜计算研究

通过分析航空燃油柱塞泵滑靴副及配流副间油液的流动特点,综合考虑挤压效应,热楔效应对油膜厚度的影响,得到满足滑靴副及配流副油膜变化的统一微分方程,通过求解方程,可计算得到滑靴副和配流副油膜厚度在柱塞旋转一周内的变化规律,弥补传统静压支承油膜计算方法的不足.      

基于CFD内流耦合仿真的燃油柱塞泵滑靴副动态润滑特性研究

针对航空燃油柱塞泵滑靴副自适应油膜的动态润滑问题,基于牛顿拉夫逊方法,建立了考虑滑靴副油膜支承作用与其动力学状态动态耦合关系的滑靴副润滑计算模型。在此基础上,计入前级部件内流作用对油膜特性的影响,通过CFD内流分析和Reynolds润滑模型相结合的仿真方法,对航空柱塞泵滑靴副及其前级部件进行了一体式联合仿真研究。研究结果表明:仿真与试验结果的误差保持在4.3%以内,CFD仿真方法可以实现对滑靴副前级部件内流场的准确模拟;转速从4kr/min增至5kr/min时,膜厚的最大倾覆值减小至原数值的27.15%,并且低压区滑靴厚度变化率的增大率最大可达62.02%;而出口压力增大率为66.7%时,引起全周期内膜厚变化率波动幅度不同程度的增大;在转动周期内,滑靴的自适应润滑效果通过油膜厚度场和压力场的耦合变化形成自适应动压支承效应来实现。     

轴向柱塞泵滑靴副的热结构耦合特性

为了改善轴向柱塞泵滑靴副的耐磨损性能,建立了滑靴与斜盘摩擦副的瞬态热结构耦合模型,分析压力冲击条件下滑靴的表面温度、应力以及变形的变化规律.研究结果表明:某型轴向柱塞泵中滑靴温度随柱塞腔压力呈周期性变化,滑靴温度范围为45.5~49.8℃,且滑靴的最高温度出现在泵的吸排油过渡区.当滑靴处于泵的排油区时,滑靴的最大轴向应力为250MPa,集中在滑靴油腔与密封带之间的边缘区域.滑靴的轴向应力分层显著,引起滑靴的变形分化,其变形量为12.5~15μm,出现在滑靴的边缘.由于滑靴的输入热流密度增强磨粒的剪切力,加剧滑靴表面的微切削和挤压变形,导致滑靴表面出现条状剥落和凹坑磨损,呈现出黏着和磨粒磨损特征.      

某型飞机液压柱塞泵柱塞磨损失效分析

根据某型飞机液压柱塞泵因柱塞密封失效引起柱塞泵异常磨损的现象,对磨损柱塞进行宏观观察、微观形貌扫描及金相分析,得出柱塞滑靴端面双金属扩散焊缺陷,滑靴端面铜层在正常工作状态下剥落,引发柱塞受到轴向应力作用后失效。针对滑靴双金属扩散焊铜层剥落部分加剧滑靴端面及转子端面磨损异常等问题,进行分析给出柱塞泵修理中无损检测方法的改进及异常磨损的预防措施,为柱塞泵的修理和故障预防提供参考。     

航空发动机转子挤压油膜阻尼器设计方法

将挤压油膜阻尼器设计与转子动力学设计相结合,建立了航空发动机转子挤压油膜阻尼器设计方法和设计流程.转子参数为转子阻尼、临界转速配置、最大不平衡量、转子振动峰值,以及支承外传力等,挤压油膜阻尼器设计参数为轴颈偏心率、油膜半径间隙、油膜长度和鼠笼刚度.设计目标是控制转子临界峰值和支承外传力.其中转子阻尼与最大不平衡量为挤压油膜阻尼器设计的关键参数.利用一实验器,对该设计方法进行了数值仿真和实验验证,结果表明:转子振动响应临界峰值减振比例可达60%以上,说明所建立的设计方法是正确有效的,可为挤压油膜阻尼器设计提供指导.      

基于满意PID控制的MCMS10试验机电控系统研究

为揭示高压轴向柱塞泵滑靴副摩擦磨损性能,需提供1台高精度、高性能以及主轴转速恒定可靠的滑靴副摩擦磨损试验机。但在测试滑靴副时,试验机主轴的速度调控和位移的精确控制非常难以把握。当试验机主轴转速在3 000 r/min的基础上升高时,试验机油温急剧升高,会对滑靴副性能测试的精度产生极大的影响。针对MCMS10试验机的电控系统,设计出硬件图,采用满意PID算法控制其主轴转速和位移两个参数。最后通过组态软件设计实时监控画面并开展试验分析。结果表明:将满意PID算法运用到MCMS10试验机电控系统中,不但精度非常高,而且在主轴转速约为3 200 r/min时,油温始终保持在65 ℃左右。     

基于多级环境下的双排对转压气机优化设计

以某双排对转压气机为研究对象,采用三维Navier-Stokes方程计算、叶片参数化造型、神经网络构建近似函数、遗传算法寻优相结合的优化方法,对转子2叶片进行级环境下的全三维叶型优化方案探索.优化目标是在控制流量和压比的情况下,最大化等熵效率.优化结果显示,设计点压气机效率提高1.5%左右.通过流场细微结构分析表明新叶型的气动布局得到合理改善,转子2中,尖部流场低速区域有所减少,分离现象有所减弱.      

周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究

为了验证周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的效果，本文在GE-E³高压涡轮第一级的机匣上引入周向单槽式机匣处理，通过数值模拟手段研究了周向单槽的轴向位置、槽宽和槽深对叶尖泄漏流调控的影响及周向单槽调控叶尖泄漏流的物理机制。结果表明：周向单槽的引入虽然会使叶尖泄漏涡尺寸变大，但会显著降低叶尖泄漏涡及机匣通道涡的强度，使得涡轮转子通道内流动总损失降低，涡轮级效率提高。在设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽，可以使涡轮转子通道内的流动损失相对减小9.10%，涡轮转子的效率提高0.40%，级效率提高0.85%。同时发现设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构，在非设计工况时也有良好的控制效果。     

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP算法下的多目标优化设计并进行了仿真应用。首先,考虑叶轮、蜗壳等通流部件内的水利损失、容积损失以及机械损失,建立表征离心泵效率的综合损失模型;结合基于必须汽蚀余量计算下的汽蚀表征函数以确定离心泵多目标函数。进而,利用SQP算法构造合理的适应度函数,结合约束条件确定离心泵多目标优化设计的数学模型。其次,对某型燃油离心泵进行基于SQP算法的优化设计并与其他常用优化算法进行对比。可以看到：各优化算法的最优结果几乎相似,但SQP算法对多维非线性方程组优化求解所用的迭代步数相对较少。最后,利用CFD技术进行仿真及外特性预测,以验证基于SQP算法下燃油离心泵多目标优化设计的有效性。结果表明：相比传统方法设计的原型离心泵,基于SQP算法优化的离心泵内流场压力分布相对均匀,流动损失更低,且进口流动有利于抗汽蚀性能;从外特性结果来看,基于SQP算法优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必须汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。     

二维活塞航空燃油泵容积效率分析

提出了一种二维活塞燃油泵，该泵利用二维活塞的旋转运动将配流机构集成到活塞上，去除了传统柱塞泵独立的配流机构，简化了泵的结构、提升了泵的功率密度，而且由于主要运动机构采用了滚动轴承支撑，免除了滑动摩擦副及其产生的泄漏，提高了效率。对泵的容积效率进行理论分析和实验研究。结合泵的结构原理分析了造成容积损失的内泄、外泄及油液压缩性等3种主要原因；应用层流和紊流的缝隙流动基本理论推导出泄漏解析表达式，着重分析了不同配流开口形式产生的内泄漏；综合考虑油液压缩性和泄漏获得了容积效率数学模型。理论研究表明采用负开口配流形式可以有效减小内泄漏，定量分析了泄漏流量与负开口量的关系，同时利用Fluent进行配流过程中泵腔内的流场数值模拟，结果表明可以有效减小油液倒灌。为了验证理论分析的有效性，制作二维活塞燃油泵样机，以航空煤油为介质进行台架实验。样机实验结果表明在负载压力2 MPa，转速从1 000 r/min到5 000 r/min，容积效率从93.6%提升到98.1%；当转速为2 000 r/min，负载压力从1 MPa增大到5 MPa，容积效率从97.5%降低到92.3%。以现有的齿轮泵和柱塞泵相比容积效率显著提高，理论与实验的结果偏差在4%以内，表明理论分析的有效性和正确性。     

基于试验设计-遗传算法的船用柴油机冷却系统多目标优化

为了获取某型船用柴油机冷却系统的最佳运行参数,在柴油机可靠运行的前提下,尽量提升动力性和经济性。建立了柴油机工作过程-燃烧室-冷却系统耦合仿真模型,提出试验设计-遗传算法优化算法,该算法具备节省试验成本和多目标全局寻优的优势,选取柴油机的6个典型推进工况点进行研究,采用该算法对冷却系统运行参数开展多目标优化设计,优化设计以海、淡水泵转速为变量因子,以提升动力性参数和经济性参数为目标,以涡前排温、淡水出机温度和峰值缸压为约束条件,优化后,在低负荷点,淡、海水泵节省功耗79.4%、71.73%,扭矩提升7.2%,有效功率提升7.6%,热效率提升8%,耗油率降低6.73%,摩擦功降低9.71%,峰值缸压降低5%。研究结果表明：耦合仿真模型与实机更加贴近;试验设计-遗传算法在解决强耦合、非线性系统的多目标优化问题具备成本低、效率高、精度高的优点。     

Two-dimensional piston pump: Principle,design, and testing for aviation fuel pumps

Aviation fuel pumps of the future are required to be highly efficient and lightweight. As such, this work presents the designs of various mechanisms and structures of advanced two-dimensional piston pumps for aero-engines, and their universal kinematic design methods are detailed herein. The efficiency of various piston pump prototypes was experimentally tested at various speeds in an open circuit. The experimental results indicate that two-dimensional piston pumps have a volumetric efficiency >91% and a higher power–mass ratio than conventional fuel pumps under all the conditions studied. Furthermore, the structural and material problems encountered during testing can provide a blueprint for further improvement of the design and processing of two-dimensional piston fuel pumps.     

Performance optimization of grooved slippers for aero hydraulic pumps

A computational fluid dynamics(CFD) simulation method based on 3-D Navier–Stokes equation and Arbitrary Lagrangian–Eulerian(ALE) method is presented to analyze the grooved slipper performance of piston pump.The moving domain of grooved slipper is transformed into a fixed reference domain by the ALE method,which makes it convenient to take the effects of rotate speed,body force,temperature,and oil viscosity into account.A geometric model to express the complex structure,which covers the orifice of piston and slipper,vented groove and the oil film,is constructed.Corresponding to different oil film thicknesses calculated in light of hydrostatic equilibrium theory and boundary conditions,a set of simulations is conducted in COMSOL to analyze the pump characteristics and effects of geometry(groove width and radius,orifice size) on these characteristics.Furthermore,the mechanics and hydraulics analyses are employed to validate the CFD model,and there is an excellent agreement between simulation and analytical results.The simulation results show that the sealing land radius,orifice size and groove width all dramatically affect the slipper behavior,and an optimum tradeoff among these factors is conducive to optimizing the pump design.     

二维燃油泵的设计与研究

提出一种新型的二维燃油泵，说明了其诸多优点。为研究其结构性流量脉动，利用仿真软件AMESIM建立了二维燃油泵的仿真模型进行理论研究，并进行了实验验证。通过齿轮泵与轴向柱塞泵的对比，说明了轴向柱塞泵在燃油系统应用中的优势。针对轴向柱塞泵中存在的一些不可避免的缺陷，提出了能避免这些缺陷的二维燃油泵。通过解释二维燃油泵的结构组成与工作原理，说明了二维燃油泵的优势，包括结构力平衡、工作效率高、无直接的滑动摩擦副和无结构性流量脉动等。为了解释无结构性流量脉动这一优点，进行了仿真分析与实验验证，验证了二维燃油泵具有无结构性流量脉动这一潜力。     

用于概念设计的离心泵叶轮多目标优化

用两种多目标优化方法对某型液体火箭发动机氧化剂泵叶轮进行多目标优化设计.在优化过程中, 以泵的扬程、效率和泵质量为优化目标, 对叶轮的主要几何参数进行优化.用NCGA(Neighborhood Culti-vation Genetic Algorithm)方法得到优化问题的Pareto前沿;用超传递近似法得到分目标的最佳权值, 进而采用评价函数法求出优化问题的最佳设计值.并分析了主要结构参数对泵性能参数的影响.