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。      

欠频响压力探针测量压气机动态流场的结果分析

压气机内部流动具有很强的非定常特征,尤其是小尺寸发动机叶片通过频率高达30～80 kHz,而动态压力探针的响应频率只能与叶片通过频率相当,采用其测量不易获得具体的高频流场结构.为了研究这种欠频响情况下测得流场与真实流场的差异,以某低速压气机为对象进行了模拟研究.采用频响为420 Hz的动态压力探针及频响大干33 kHz的单斜丝热线探针,测量了叶片通过频率为303 Hz的转子出口流场.修正了动态压力探针的容腔效应对测得流场的影响,校验了在测试系统响应频率较低时,修正后流场与热线测得的参考流场之间的差异.对比结果表明:原始流场压力信号的部分频率成分产生了较大偏差,出口截面流场的周向位置有较大误差.经修正后,周向位置较为准确,泄漏堵塞区域形态以及强度都与参考流场的更为接近,但由于尾迹区存在部分高频,修正后结果与参考流场的差异仍较明显.     

楔顶双孔探针测量跨声多级压气机转子出口三维动态流场的方法

发展了1种楔顶圆柱双孔高频压力探针测量三维动态流场的方法,并应用于某跨声速多级轴流压气机转子出口流场测量.该探针测量方法基于4孔针测量原理,通过旋转探针在3个角度测量的方法实现,并采用最小二乘拟合方法对探针气动校准数据进行处理,对拟合误差进行优化,得到最佳拟合阶次,进而获得精度较高的求解流场参数的近似函数.相比国内外同类探针,该楔顶圆柱双孔高频压力探针尺寸小、频响快、测量范围宽、测量精度高.借助高速锁相数据采集技术,利用该探针测量了某跨声速多级压气机转子出口三维动态流场,测量结果反映了该转子流动特征,提供了转子出口气流偏转角、俯仰角、总压、马赫数分布,并为优化压气机级间匹配指明了方向,为压气机流场诊断提供了一套行之有效的测量手段,验证了该高频压力探针测量技术的工程应用价值.      

一种测量跨声速多级压气机转子出口二维流场的方法

为了获得小型压气机设计所急需的关键流场信息,发展了一种基于圆柱单孔高频压力探针测量小型轴流压气机级间动态流场的测量方法.该探针测量原理基于圆柱绕流特性,借助高速锁相采集技术,利用旋转探针多角度法实现级间动态流场测量.采用插值和拟合对测量的数据进行处理,从而获得级间二维定常流场.误差分析表明,该探针测量精度较高,偏转角误差小于1.8 °,马赫数、总压和静压的极限误差分别为3.4％,0.94％和3％.将该高频探针应用于某小型跨声速3级轴流压气机,测量结果表明:85％叶高至机匣范围内,总压和马赫数明显要比叶根低得多,气流出现明显过转.这些测量结果为优化该压气机级间匹配指明了方向,验证了该高频压力探针测试技术的工程应用价值.     

小尺寸多级轴流压气机喘振现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,在首级转子叶顶沿弦向布置Kulite动态压力传感器以及在后面级插入高频压力探针,通过动态测量试验,研究不同转速下多级轴流压气机喘振现象.结果表明:在中高转速下,该压气机深度喘振是由模态波扰动发展成旋转失速,从而引起流动堵塞,最终导致流动崩溃所造成的;在低转速下,压气机轻度的经典喘振由模态波直接引起的,在喘振周期内一直伴随有旋转失速的产生、发展和消失.      

压比对文氏管汽蚀动态过程演变的影响

基于高速摄影和高频压力测量技术,对半矩形文氏管开展了酒精汽蚀试验,获得了汽蚀区域的流场结构和高频压力数据,基于标准差法分析了汽蚀区长度与压比的关系,基于图像和压力信号研究了汽蚀区的动态演变规律和压力振荡特性。结果表明：压比越小,汽蚀区发展越充分,且汽蚀区长度与压比呈负相关关系。汽蚀区动态特性由湍流脉动和折返射流机制主导,当压比较大时,湍流脉动主导了汽蚀区的动态行为,汽蚀区可分为发展区、融合区、溃灭区;压比较小时,折返射流主导了汽蚀区的动态行为,汽蚀区可分为发展区、回流区、溃灭区。发展区汽蚀形态稳定,能抑制下游压力波向上游的传递;湍流脉动和折返射流会造成发展区后方区域脱落云团的生成,并给下游带来压力振荡,振荡主频呈现出频带特征;低背压时,脱落云团将移动至扩散段下游更远区域,较大逆压梯度将造成脱落云团的逆行,使得扩散段存在局部回流区。     

基于半无限引压管效应的动态压力测量方法

实验研究了动态压力信号在有限和半无限引压管腔中传播的幅频特性及其与引压管结构变化的规律性关联.采用半无限引压管结构设计了头部为基尔整流罩的动态总压探针,测量大角度来流的气流总压,并对其动态传递函数进行标定.对一台轴流压气机转子尾迹的测量结果显示:动态总压探针可以测量到转子尾迹的总压流场特征,获得叶片端区流动等大梯度总压流场.对于采用引压管腔的动态探针设计中管径变化和弯曲造成信号能量的衰减作用,半无限引压管效应可有效减小动态压力信号的能量衰减,并减弱管腔的谐振效应.     

小尺寸多级轴流压气机级间干扰现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,利用Kulite动态压力传感器以及高频压力探针,测量不同转速下转子叶顶动态静压分布以及级间流场,并对测得的动态压力信号进行分析,研究多级压气机转/静干扰作用。结果表明:高转速下,首级转子叶顶测得的流场能够反映典型的超声叶栅流动特征,多级压气机存在的级间干扰作用只影响到首级转子出口流场;中等转速下,级间干扰作用非常显著,影响到首级转子进口,并随压气机节流级间扰动强度增大。对这些级间扰动的对应频率进行模态分析,从而获得了非定常级间扰动的传播速度和模态数。     

用动态三孔针测旋转失速流场

为了测量不稳定流场参数,因此要求三孔针具有高频动态响应能力,为了在全台发动机中使用,要求其适用恶劣环境。 1.结构 如图1示,三个高频响应的微型固阻式压力传感器装入探针之内,用橡皮套管与测压孔连接,缩短了测压管长,因而具有     

正弦波型高频动态压力光学校准系统及其应用

动态压力是气动部件表面的关键气动参数。光学压力敏感涂料（PSP）测量技术在测量气动部件表面动态压力方面具有全域测量、不影响流场自身的优势，而光学压力敏感涂料的动态响应特性则是进行动态压力测量的决定性因素。基于声学驻波管原理，自主设计并组建了正弦波型高频动态压力光学校准系统，主要包含有驻波管型校准舱、声源、激光源、高频压力传感器、光电倍增管以及测控系统。对动态压力光学校准系统及某新型快响压敏涂料的实验结果表明，所组建的动态压力校准系统可产生最短响应时间12.5 μs、最大压力幅值为4.37 kPa的正弦型动态压力，其有效动态频响范围为0.4~20.0 kHz（50 μs~2.5 ms），不确定度小于0.004 9%；校准系统合理的光路布局可进行快响压敏涂料动态特性的校准，所测涂料可用于动态频响不高于9.1 kHz（响应时间为109.9 μs）的非定常流场的压力测量。     

基频降低对火箭点火起飞动响应的影响分析

为了分析有效载荷基频降低对火箭发射时箭体的动响应的影响规律,将不同的有效载荷基频引入到运载火箭纵向有限元模型中,通过改变有效载荷基频,计算箭体在发射阶段受到冲击载荷时的瞬态动力学响应,并找出有效载荷以及星箭界面处随发动机推力变化的加速度、单元力等响应时程的变化规律.结果表明：有效载荷基频降低对发射时箭体的动响应有一定影响,有效载荷位置的加速度响应受到的影响较为明显,有一定程度地增加,其对星箭界面处载荷的影响则较小.     

某航空发动机火焰筒在动载荷下的频率响应分析

在火焰筒中由于燃烧不均匀产生的脉动,会形成一个较宽频率范围的声激振动,受这种振动的影响火焰筒可能在某一个固有频率下激振,如果激振所造成的振动应力足够大,将产生高循环疲劳破坏,最终导致火焰筒局部壁面脱落[1].因此研究发动机火焰筒在动载荷下的频率响应十分必要.利用UG软件建模和ANSYS动载荷分析软件,计算求出某航空发动机火焰筒的前十阶固有频率和振型.对火焰筒在0～1000Hz的激振频率下进行频率响应分析,分析结果对火焰筒设计和排故有一定参考作用.     

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(Part I横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性。重点分析了圆柱的动力学响应特性,包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象;另外也详细分析了圆柱的尾涡结构。研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P+S和2S模态甚至是2P+S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化。     

多维磁悬浮隔振系统动力学模型与控制策略

磁悬浮隔振系统具有非线性、强耦合、高响应、宽频带等特点，系统的隔振控制目标与其定子和浮子之间的位置约束相互制约，这对系统的精密控制提出了较大的挑战。为解决该问题，建立了面向控制的六自由度磁悬浮隔振系统非线性动力学模型，并提出了双闭环控制策略，使系统在低频到中高频带内实现隔振控制，在极低频带内实现跟踪控制。采用PD定点控制算法，在MATLAB/Simulink环境中开发了控制系统仿真程序，通过分析不同扰动频率下浮子的绝对运动响应以及定子与浮子之间的相对运动响应，获得了系统的隔振控制与跟踪控制仿真结果。搭建了磁悬浮隔振平台样机测试系统，验证了动力学模型的正确性和控制策略的有效性。     

旋翼动态升力实验及理论分析

建立了计入动力入流的旋翼动载荷分析模型,在旋翼模型试验台上进行了悬停状态总距激振的铰接式旋翼动态升力实验研究,理论计算与试验吻合很好。分析表明,激振频率越小,动力入流对悬停状态旋翼动升力影响越大;静态总距越小,动力入流的影响也越大。     

Study on dynamic stiffness of supporting structure and its influence on vibration of rotors

The dynamic response of the rotor depends on not only itself but also the dynamical characteristics of the structures that support it. In this paper, the coupling vibration characteristics of the rotor and supporting structure are studied using one simple rotor-supports model firstly, and then the dynamic stiffness of the typical supporting structure of an aero-engine is investigated in use of both numerical and experimental methods. While, one simulation strategy is developed to include dynamic stiffness of realistic supports in the dynamical analysis of the rotor system. The simulated and tested results show that the dynamic stiffness of the supporting structure not only depends on the structural parameters but also is related to the frequency of the excitation force. The dynamic stiffness is affected by the damping and inertia effect when the excitation frequency is high and closed to the resonance frequency of the support, which may decrease the dynamic stiffness sharply. More resonance frequencies may be induced and the critical speed could be reduced or increased. While higher vibration response peak and overload of the bearing may also be caused by the varied dynamic stiffness, which needs to be avoided in the design of the rotor-supports system.     

倾转旋翼机传动系统多状态响应特性研究

以倾转旋翼机发动机短舱内的传动系统为研究对象,根据设计的传动结构建立了它的动力学模型和动态响应方程,分析了倾转旋翼机旋翼在起降、巡航和过渡三种状态下的激励特性,并针对三种状态下旋翼激励的特点对传动系统动态响应进行了数值求解,最后研究了传动系统中齿轮啮合的动载系数的变化特点,并对系统的共振频率进行了探讨.研究工作对倾转旋翼机的传动系统的可靠性分析和动态优化设计等均有参考意义.      

气体介质条件下的热电偶动态特性

针对热电偶动态特性的评估问题,实现热电偶测试性能评估与气体介质条件的匹配,开展了气体介质条件下热电偶动态特性研究。通过对传统激波管的结构和功能改造,设计了动态气体温度校准装置,开展了动态温度校准标准信号溯源方法的研究,建立了热电偶动态数学模型,实现了热电偶动态特性的定量描述和试验验证。动态校准试验结果表明:基于传统激波管改造的动态气体温度校准装置可以产生频域覆盖范围宽、阶跃幅值稳定的标准温度信号,基本可以覆盖常规温度传感器的动态校准需求;所采用的动态建模方法可以较为准确地评估热电偶动态模型的阶次和参数。经实验验证,建立的热电偶动态数学模型响应与实际响应信号的相关系数可以达到0.996 7,基本可以满足热电偶动态特性评估的工程需要。     

一种考虑宽温宽频宽动态位移的粘弹性本构模型

对硅橡胶粘弹性阻尼材料进行不同温度的频率扫描和动态位移扫描实验.采用经典Burgers模型和RT模型对该材料频率响应曲线的预言能力进行评估;基于RT模型, 本文提出改进的M-RT模型同时考虑了温度、频率和动态位移对材料动态力学行为的影响, 通过与实验结果的比较分析, 表明该模型能很好地描述该材料在宽温、宽频和宽动态位移的动态本构行为.