航空发动机整机模态计算分析

本文针对现代高速小型发动机转子-支承-机匣系统特点, 建立了较完整的一套用于分析整机模态的有限元子结构模态综合法及程序, 阐述了如何建立整机计算模型及如何分析整机模态等问题, 给出了某型发动机整机模态的计算结果, 并与试验结果进行了对照。      

航空发动机整机振动半实物建模方法研究

为了研究一种快速准确地分析航空发动机整机振动的建模方法,采用试验与仿真结合,在转子模型中综合机匣-支承试验数据的半实物建模方法,对整机振动半实物建模原理,机匣-支承传递函数测试、结构综合建模等问题进行了研究,运用航空发动机转子试验器对半实物建模方法进行验证。建立试验器整机及半实物仿真模型,计算机匣振动响应;拆装转子试验器,测试机匣-支承连接位置频率响应函数,综合转子有限元模型,建立基于试验数据的试验器半实物模型,计算整机频率响应函数。结果表明,半实物建模方法能够在保证计算精度的前提下缩减90%以上的计算时间,运用半实物模型能够准确地获得整机频率响应函数,固有频率计算误差在2%以内。     

航空发动机整机静子建模与刚度验证

基于建立航空发动机整机状态的结构动力学分析有限元模型要求,对应用于静子机匣的不同有限元网格模型进行了对比分析,并将其组装成整机模型,进行了各支点的静柔度计算和对比试验。结果表明:对静子建模可分为主承力和其他机匣部件分别进行。承力机匣采用实体单元模型,有效模拟其刚度特性;传力机匣采用壳单元模型,在保证计算精度的前提下减小计算规模。通过对整机静子模型状态下轴承座静柔度计算与试验结果的对比,验证了整机静子模型刚度分布的有效性,经过质量修正后可以为整机状态结构动力学分析提供模型。     

航空发动机支点刚度与整机变形分析方法

研究了如何利用整机有限元模型开展刚度及变形分析并给出量化要求,包括整机有限元建模、支点刚度计算及整机变形分析。整机有限元建模包括模型简化原则、编号规定、网格划分及模型检验。支点刚度计算包括支点刚度定义及刚度分配在设计过程中的应用。整机变形分析包括温度场与载荷施加、高低压转子轴间间隙分析、转静子轴向间隙分析关注要点和变形规律。经整机建模及计算分析,得出的支点刚度结果可为发动机轴承支承结构设计提供刚度分配指标,整机变形结果可用于发动机总体结构方案评估与优化。     

转子支承动刚度对转子动力特性的影响分析

针对转子支承动刚度对转子动力特性的影响,分别运用静刚度、动刚度和整机有限元模型对某型发动机进行了转子动力特性计算,并对各种计算结果进行了比较和分析;分析了转子支承动刚度剧烈变化的原因,同时,指出运用整机模型能够分析支承动刚度和各种机匣的局部振动对整机振动的影响。     

航空发动机整机振动控制技术分析

针对高性能航空发动机结构复杂性和高温高转速工况下动力学稳定性问题,提出了航空发动机转子动力学特性设计分析是振动控制技术的牵引,装配工艺控制技术是关键,振动试验测试技术是依赖手段的整机振动控制技术思路。总结了发动机结构动力学计算分析技术、结构装配工艺优化技术、整机振动测试技术以及多年在发动机试验和试车中遇到的振动故障特征分析经验,分析了目前发动机整机振动控制技术存在的问题,提出了未来工作发展的思路     

航空发动机整机二维气动热力数值模拟

研究了用于航空发动机整机数值仿真的含粘性力项的二维欧拉流动模型,进行了整机流场数值仿真。用代数和椭圆形偏微分方程混合方法分别生成叶栅通道和燃烧室内贴体坐标网格;分别针对压气机转子、静子和涡轮叶栅,定义了三种不同损失系数;采用高阶精度Godunov格式和时间推进法,交替使用显/隐格式,收敛速度快,计算准确度高。计算了某双轴涡扇发动机设计点的整机性能与部件性能,计算结果与设计数据相吻合,分析整机仿真计算得出的流场参数分布,可以更好的了解流场细节。数值试验表明,建立的程序可以预测发动机稳态条件下的整机性能以及用于发动机的设计与改进,奠定了二维数值试验台建设的基础。     

航空燃气涡轮发动机燃气分析测试及计算方法

针对航空燃气涡轮发动机整机及燃烧室部件试验的燃气分析测试,介绍了测试的原理和系统组成,完善了液体碳氢燃料的计算方法,发展了气体燃料的计算方法;分析了燃气组分测量值误差对燃烧参数计算结果的影响,讨论了取样方式及混合式取样器结构的影响,给出了混合式取样器结构是否合理的判定条件;对比了高压全环燃烧室试验的燃气分析和常规测试的结果,结果表明:使用设计合理的混合式取样器、保证足够的测点密度和使用合理配置的燃气分析测试系统,余气系数的测量精度优于5%,并对热电偶法和燃气分析法燃烧效率偏差进行了分析.      

振动传感器支座对整机振动测试的影响

对振动传感器支座的谐振频率、振型和幅频特性进行了分析,研究了振动传感器支座结构差异对整机振动测试的影响,提出了整机振动测试精度较高的振动传感器支座结构方案,并在某型核心机试验的振动测试中得到了验证.     

基于流体网络拓扑的航空发动机及燃气轮机整机性能建模方法

为了快速、灵活、自由地搭建航空发动机及燃气轮机不同构型整机性能仿真模型,提出了一种基于流体网络拓扑的发动机整机性能仿真模型方案。从发动机部件及整机性能模型建模基本原理出发,在现有面向对象的部件性能建模及通用仿真系统总体框架基础上,采用迭代变量和平衡方程组与发动机部件模型和部件模型计算顺序相关联技术,建立了适用于不同航空发动机和燃气轮机类型的稳态性能仿真模型,并将该模型计算结果与成熟的商用仿真软件计算结果进行了对比分析。结果表明：该方案、模型可以实现发动机计算模型/拓扑自动构建,以及迭代变量与平衡方程组自动构建,提高了仿真系统的适用性。     

整机条件下涡扇发动机部件特征参数辨识

为解决整机条件下难于直接获得部件全部特征参数的问题,在计算发动机部件特征参数对整机性能敏感度的基础上,利用条件数分析参数之间的相关性最终确定可修正参数数量.这样即可构造工程上可解的辨识问题,并通过最小二乘法求解.仿真计算结果显示:高压压气机效率为0.982与初设值0.98一致,说明该方法从理论上是可行的.从具体实例的辨识结果来看,有压气机后温度测试时部件效率降低量值符合实际结果;无压气机后温度测试时高压压气机效率较设计状态偏高12.7%,不符合实际发动机工作情况.显然辨识问题是病态的,为此可修正参数不应超过6个.      

某航空发动机机匣的动力学模型修正

利用动力学模型修正技术对某航空发动机机匣的有限元模型进行了修正.通过振动模态测试得到了实际机匣的模态数据用以作为有限元模型 修正的基准.利用频率对单元刚度的灵敏度分析选定了修正区域.在此基础上,应用1阶优化方法对机匣的有限元模型进行修正.研究结果表明:修正后机匣有限元模型的前10阶模态的计算值与实际测试的误差都在29%以内,可以应用在后续的发动机整机动力学分析等方面.      

基于红外技术的发动机低压涡轮叶片温度场测量

为了解某型发动机整机运行状态下低压涡轮工作叶片的温度分布情况,使用红外测试系统测量了该发动机整机状态低压涡轮工作叶片前缘及盆侧的温度场。试验前对该发动机进行了测试改装,设计了用于实现叶片定位的转速信号分析仪,以及用于提供高压气源的气体增压系统。试验共测得多个状态下发动机涡轮叶片的表面温度分布数据。结果表明:涡轮叶片前缘和叶盆中间位置的温度较高;相同位置下每片叶片的温度有轻微差异;叶片的最高温度位置位于测试区域的下方,与仿真计算结果相吻合。采用红外测温技术可以得到清晰的涡轮叶片表面温度分布云图,结合示温漆标记技术,可用于定位温度最高的叶片和叶片温度最高的位置。     

1 种航空发动机整机质量分配方法

为了在航空发动机方案设计阶段实现整机质量指标向发动机各单元体的分配,定义了整机质量目标,提出了整机质量 名义值和质量公差的分配方法。单元体质量公差的分配主要考虑了单元体的加工成本、质量占比、零组件特性的影响,构建了“质量 公差—加工成本”模型来确定质量公差与加工成本的关系;采用蒙特卡洛法对单元体的质量公差分配结果进行综合,对照整机质量 目标迭代修改质量公差分配结果。结果表明：本方法具有工程应用的可行性和合理性。     

民机试验室高寒适航符合性试验验证方法研究

针对国内民机整机试验室高寒试验没有相应参照标准的问题,开展了民机试验室高寒适航符合性试验验证技术研究。首先简要解读与民机整机高寒气候环境相关适航条款25.1301(a)(4)及25.1309(a),给出了民机整机高寒试验验证的适航要求;然后通过分析某型民机试验室高寒试验的实施过程,提出了适用于民用飞机整机适航符合性试验室试验验证流程;其次对民机整机试验室高寒试验实施中存在的几个关键性问题进行了研究,主要包括飞机安装系留方式、试验项目、试验顺序及试验条件确定方法、试验测试方案架构、试验程序优化方法等;最后结合试验方法给出了试验结果判定原则,形成了适用于民机整机试验室高寒适航符合性试验验证方法。该方法可为民机整机试验室高寒试验的有效实施提供技术支持。     

基于时间推进的涡扇发动机整机通流数值模拟

为实现航空发动机整机流场与性能快速分析,基于准三维控制方程模型,开发了整机通流数值模拟程序。程序基于计算流体力学理论,并考虑了引气、冷却和喷油等发动机中的物理现象。为模拟叶片对气流偏转作用,推导了一种鲁棒的无粘叶片力模型,同时采用粘性力模型模拟粘性损失效应。采用该程序对某型双轴分排涡扇发动机一个地面试车工况点进行了整机数值仿真,并与实验数据进行了对比验证。结果表明,所发展程序求解稳定,能够自动捕捉激波,并且可以快速获得完全收敛的航空发动机整机准三维流场,单工况点计算时长不大于30min。其中计算截面平均参数与实验测量偏差不大于8%,符合工程应用精度需求。     

带推力矢量的高推比发动机安装系统技术研究

针对第4代军用发动机推力矢量和高推比的特性,研究前主后辅和前辅后主2种结构形式的安装系统。通过安装系统的计算模型,进行了多种工况下气动、机动的载荷计算;并运用UG NX高级仿真模块对主安装系统进行有限元强度分析。从整机角度综合分析载荷计算数据与强度计算结果,给出了2种结构形式安装系统的优缺点。     

机载磁粉离合器MBSE建模方法和应用

提出了航空机载产品的MBSE建模方法,分析了磁粉离合器的需求,采用多学科统一建模语言对可仿真的需求进行了MBSE电路和磁路建模、电磁力矩建模、离合传动建模,建立了磁粉离合器整机模型,实现了磁粉离合器的电、磁、传动机构的多学科仿真。使用成熟的磁场仿真软件对MBSE磁路模型进行了验证。对离合器的电磁力矩进行了仿真计算,对离合器整机MBSE模型进行了仿真测试,实现了对磁粉离合器需求的MBSE建模、仿真和验证。     

核心机派生涡扇发动机部件及整机匹配

以核心机与低压系统的部件及整机气动热力匹配关系为理论依据,在全面考虑低压压缩系统与核心机压气机的匹配约束关系、核心机涡轮工作状态相应变化以及派生发动机内外涵整机匹配的多因素下,建立了核心机派生涡扇发动机部件及整机气动热力循环匹配算法模型.应用该模型,进行了核心机派生涡扇发动机循环参数及性能趋势分析,计算结果表明高低压和整机匹配约束直接影响核心机派生涡扇发动机循环参数和整机性能,为核心机派生系列化涡扇发动机工程实践应用中所涉及的部件/整机参数匹配及性能预估提供分析和设计参考.      

涡扇发动机涡轮前温度测量与模型辨识

确定发动机涡轮前温度的途径有传感器测量和计算模型辨识两种。鉴于发动机安装空间、测量技术成熟度、测量成本等因素,采用了短期测温达1 700℃的B型热电偶及高导前缘穿孔安装热电偶技术方案;模型辨识方法采用了高导流量连续、主燃烧室有效热值法迭代求解涡轮前温度。结果表明,整机状态下测试误差小于2%,并可进行定向修正;在部件试验获得较为准确的冷却空气系数、总压损失系数及温度场系数的基础上,涡轮前温度的辨识精度可达到1%以内。利用整机测试的方法进行模型辨识计算,对于涡轮前温度的控制具有重要意义。