基于燃气射流冷凝的氧路系统频率特性研究

基于热力学不平衡两流体六方程模型模拟了液氧煤油补燃循环发动机燃气射流在氧路系统泵间管路液氧流体中的冷凝过程，获得了燃气射流冷凝特征参数沿管路流向的分布规律。根据Rayleigh-Plesset方程和燃气射流特性建立了泵间管路燃气冷凝过程的传递函数模型，并与氧路管路、泵等组件模型联立求解，分析了发动机氧路系统频率特性。研究了在不同氧路入口压力和液氧温度边界条件下，泵间管路燃气射流冷凝过程对氧路系统频率特性的影响，仿真结果表明高入口压力和过冷液氧改变了射流气体的惯性和柔度，使得氧路系统特征频率增大。不同边界条件下发动机热试车结果表明，提高氧路入口压力或降低液氧温度使得氧路系统频率从8.3 Hz提高至11 Hz，与数值仿真结果一致，验证了泵间管燃气射流冷凝过程是影响氧路系统频率特性的重要环节。     

航空发动机管路系统动力学特性综述

航空发动机管路系统主要承受来自机匣和管内流体的耦合激励作用,不同位置机匣传递的基础激励不同,如高低压转子振动、气动载荷、燃烧室火焰脉动和气动噪声激励等,管内流体激励包括介质压力脉动及管路形状改变造成的介质冲击载荷等;同时不同管型的管路通过卡箍、支架、接头等连接部件与机匣和附件相连,存在大量的结构耦合,这些都极易引发管路系统在多源载荷激励下的振动超限,诱发管路及卡箍产生裂纹等故障。为了提高管路系统服役期间的可靠性,在设计阶段需要开展动力学优化设计,并提出相应的设计标准及规范。目前管路系统动力学方面的研究主要聚焦在飞机、舰船及其他输油管路,针对航空发动机管路系统动力学特性的研究相对较少,对管路系统主要支撑部件卡箍静力学及动力学特性表征、弹支边界管路系统动力学特性、流固耦合管路系统动力学特性及管路系统动力学优化这4个方面的研究现状进行了总结与展望,旨在为航空发动机复杂管路系统设计及振动控制提供理论支持和技术指导。     

计算机辅助三维复杂管路敷设研究

本文以航空发动机中的复杂三维管路系统为例研究和建立了计算机辅助基于模型的管路设计系统。系统以自定义的管路对象为基础,通过常用的四种布管逻辑实现了在发动机单一形状机匣和不同形状机匣上的管路敷设。同时还提供管路属性和形状的编辑以及对相应管接头的智能化响应、干涉检查和间隙检查等。此管路系统也适用于汽车、石油、化工等领域的管路布置。     

姿控推进系统发动机关机的管路瞬变特性

从一维液体瞬变管路方程出发，采用有限差分格式的特征线方法，针对某姿控推进系统发动机真实氧化剂管路的关机瞬变特性进行了数值研究，对系统不同部位的动态特性进行了计算，喷注前的最大瞬变压力达到储箱压力的3倍，得到的结果与试车数据是一致的，对液体发动机管路工程设计具有参考价值，表明该方法可以方便地对包括许多管路，阀门和推力室的复杂系统进行动态特性分析。     

航空发动机外部管路多Agent协同设计系统框架

通过分析航空发动机外部管路设计过程,建立支持外部管路设计的多Agent协同设计系统框架。该系统框架采用包含设计层、服务层和资源层的分层结构,每一层分别用不同类型的Agent完成其功能。然后讨论了在此框架下的管路设计流程。该系统框架不仅适用于航空发动机外部管路设计,对类似的复杂设计系统也提供有益的思路。      

基于分布参数线性化模型的分级燃烧循环液体火箭发动机频率特性计算

采用一维分布参数模型描述发动机的管路系统,将发动机各部件和管路的线性化模型表示为联系输入输出参数的传输矩阵形式。根据发动机各部件的连接关系,将发动机系统划分为若干模块,用矩阵变换的方法求得发动机各模块的传输矩阵,构成发动机系统方程组。      

航空发动机用钛合金外部管路设计及工艺研究

航空发动机外部管路系统是航空发动机极为重要的组成部分,承载着发动机运转所需的燃油、滑油、空气等介质,为发动机组织燃烧、传动润滑、密封、系统控制及状态监控等重要功能提供保障,是发动机的血管和神经。传统发动机上外部管路系统均采用不锈钢材料,重量较大;相比之下,以钛合金管路为代表的新材料和新工艺在航空发动机上行的应用及其结构设计,对新一代发动机提高推重比,提高发动机整体性能,意义重大。     

航空发动机管路振动应力原位抑制试验

为解决航空发动机管路振动应力超限问题,提出航空发动机管路振动应力原位抑制概念,制定了管路振动应力原位抑制流程,提炼出基于管路基本管型、卡箍基本约束方式的振动应力原位抑制方法;结合发动机整机试验,对管路系统振动应力测试截面、试车程序进行了分析,并将所建立的分析流程和方法应用到某型发动机管路系统设计和试验中。结果表明:振动应力原位抑制后的管路系统承受住了实际工作环境的考验,验证了流程和方法的有效性;管路两端管接头焊接处、与附件相连接头处、刚性接地卡箍处,是应力较大的区域,应进行重点监控;采用3 min试车方案可在保证测量数据准确有效的前提下,降低测试成本并提高1倍的测试效率。管路振动应力原位抑制流程和方法可为航空发动机管路系统的设计、振动应力测试及抑制提供参考。     

航空发动机管路系统流动与换热的仿真平台

为分析航空发动管路系统流动与换热特性,研究管路流动与内部结构间的热流耦合问题,利用MATLAB/Simulink建模仿真工具包,开发了航空发动机管路系统通用仿真模块库,构建了管路系统特性分析平台。基于该仿真平台,建立了航空发动机管路系统流动计算模型和热流耦合计算模型。输入边界条件后运行仿真,得到了管路系统流体的压力、温度和流量,以及内部结构各节点的温度。计算结果与商业软件Flowmaster的计算值非常接近,并且流量、压力的仿真结果与试验值的相对误差保持在6.5%以下。利用该仿真平台能搭建较高精度的系统网络模型,提高系统建模效率,可应用于发动机管路系统的设计、改进等方面。     

发动机外部管路系统的卡箍布局多目标优化

针对航空发动机外部管路系统卡箍布局不合理而导致发动机发生共振或振动过大问题,对发动机复杂管路的卡箍布局 进行优化设计。将卡箍简化为末端固定的线性约束弹簧单元,建立管路系统的整体有限元模型;进行卡箍在复杂3 维管路上的位置 参数化处理;通过相对灵敏度分析获得对固有频率以及随机振动响应影响较大的5 个关键卡箍位置参数;确定2 个优化目标分别 为前4阶固有频率远离发动机工作频率和随机振动应力均方根响应最小化;采用多目标遗传算法对5 个关键卡箍参数进行优化。 结果表明：通过优化设计同时实现了多阶频率调节和随机振动应力均方值的减小;对不同优化方案的效果进行对比发现,不同的优 化方法各有优劣,无法使2 个优化目标同时达到最优结果。     

考虑螺栓连接的航空发动机管路建模及振动特性分析

为了建立考虑真实卡箍结构影响的管路系统动力学模型、获取结构设计参数和装配参数等对管路系统动力学特性的影 响规律,以航空发动机外部管路为研究对象,考虑金属橡胶卡箍螺栓拧紧力矩的影响,基于ANSYS有限元软件建立了包含螺栓连 接的管路模型。通过模态试验及基础激励响应试验验证了有限元模型的准确性。进一步分析了螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体 长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。结果表明：拧紧力矩的增大导致管路的固有频率的提高,针对本研究模型,在拧紧 力矩达到8 N·m以后,管路固有频率逐渐趋于稳定;拧紧力矩对不同长度管路的固有频率影响不同,管路越长,拧紧力矩的作用越 弱,即卡箍的支承刚度对管路固有频率的影响越弱。     

燃油管路系统振动特性有限元技术研究

航空发动机燃油管主要用于提供燃油,属于复杂3维管路系统.为了更好地分析管路系统的振动特性,以双路总管燃油管路系统为例,结合其管路繁多、连接结构多样、支撑结构特殊、管内充液等特点,系统研究了各部件的有限元模拟方法.考虑到支撑刚度对管路系统振动特性有较大影响,采用有限元静力分析对其进行了求解.结合以上不同部件的分析方法,建立起系统的振动有限元模型.对该管路系统进行模态分析,得到系统固有频率变化规律及具有分簇特点的振动模态;对系统进行共振评估,认为副燃油分管最有可能发生共振,提出了振动优化的合理建议.     

大推力氢氧发动机的频率特性仿真研究

采用传递矩阵法对某大推力氢氧火箭发动机系统的频率特性进行了仿真分析.首先建立发动机系统管路和部组件的频域线性化数学模型,并根据系统管路和部件的联接关系,简化系统模型,构成了联系扰动量和系统变量的线性方程组,进一步求解得到扰动量作用下系统变量的频率响应特性.通过仿真对比发现燃气发生器循环与分级燃烧循环的氢氧火箭发动机系统频率特性有显著差异.      

卡箍刚度的有限元计算与实验测定

准确确定卡箍刚度对管路系统的振动特性分析具有重要意义。本文针对航空发动机管路系统中不同卡箍的结构特点,建立了计算卡箍刚度的有限元模型。对单管接地卡箍及双管悬地卡箍的刚度系数进行了有限元计算,还对一典型双管悬地卡箍刚度进行了实验测定。通过卡箍刚度计算结果与实验结果的对比表明,本文建立的卡箍刚度计算方法可用于管路系统振动特性分析工程实际之中。      

基于UG的航空发动机管路系统流阻分析

航空发动机外部管路系统的管路建模和流动分析分别在CAD和CAE软件中进行,在管路设计及改进时往往需在2种软件之间进行重复建模和数据传递,耗费大量时间与资源。为此,基于UG/Open API技术,通过对UG管路模型几何与拓扑信息进行研究,利用流体仿真软件FOCUSS-FS开发了UG NX3.0工作平台下的内嵌式管路流阻分析模块,实现了发动机管路建模时的实时在线流动分析,极大地提高了外部管路设计效率。     

间冷回热循环发动机电子样机设计

在追踪和分析国外间冷回热技术在航空发动机领域应用的基础上,根据国内研究现状,对间冷器和回热器进行了模拟实验研究。初步拟定了间冷回热发动机总体结构方案,并将此结构方案建立为电子样机。总结了间冷回热发动机中各部件、系统,以及特有的间冷器管路系统和回热器管路系统的布局规律。通过样机建模,初步掌握了间冷回热发动机总体结构方案设计特点,探索了各部件、系统的布局,为间冷回热发动机的进一步研究积累了经验。     

航空发动机外部管路调频的有限元计算方法

利用有限元方法对航空发动机外部管路模态进行了计算,得到了管路的固有频率及模态振型;通过计算,分析了安装不同数量、位置的卡箍对管路固有频率的影响,以此为依据进行了管路调频,避免了管路共振的发生。     

不锈钢表面氧化对RP一3航空煤油热氧化结焦的影响

利用有限元方法对航空发动机外部管路模态进行了计算,得到了管路的固有频率及模态振型;通过计算,分析了安装不同数量、位置的卡箍对管路固有频率的影响,以此为依据进行了管路调频,避免了管路共振的发生。     

发动机机匣弧面不规则管路的布局参数多目标优化设计

管路布局优化是降低发动机管路振动应力的重要手段,提出了一种发动机机匣弧面上不规则管路布局参数的多目标优化设计方法。从发动机机匣弧面的U形管路出发,建立了具有复杂布局走向的不规则单管路的参数化建模方法。分析了布局参数对管路的危险固有频率、多点激励响应的灵敏度。综合考虑错频和最大响应等多个目标,采用多目标遗传优化算法,对不规则管路的布局参数实施了优化设计。结果表明:管形布局优化设计效果显著,错开了两个危险固有频率禁带;管路结构在相同激励下最大位移幅值下降约35%,最大应力幅值下降近50%,为发动机管路的振动控制和动力学正向设计提供了参考。      

某型氢氧火箭发动机频率特性模块化建模计算分析

为分析某型氢氧火箭发动机频率特性,建立了主、副系统耦合的线性化动态模型：通过一维分布参数模型描述管路特性;采用考虑熵波的绝热流动模型描述燃烧组件特性;推导了转速脉动反馈的传递函数,采用考虑气蚀效应的模型描述泵组件;采取有理近似式表达分布式参数模型和热力组件中的超越函数。在Simulink平台上建立模块化仿真模型,采用扫频法获取频率特性,并利用热试车数据进行验证。结果表明,所开发的模块化仿真库对工程应用十分友好,可用于分析发动机系统低频至中频频率特性;该型发动机在燃气脉动激励下将产生主系统10、165 Hz和副系统124、204 Hz的频率响应;考虑转速脉动反馈计算所得特征频率更加准确;增加泵前管路局部流阻和燃气发生器喷注压降,可提高发动机系统稳定性。