基于有限单元热网络法的航空发动机主轴轴承热分析

航空发动机主轴轴承温度场的精准预测对保证发动机润滑系统及整机稳定运转至关重要。针对传统热网络法精度低的问题,提出一种基于有限单元思想的有限单元热网络法。将轴承结构通过网格划分为有限个单元体,每个单元体设置一个温度节点代表该单元体的集总参数,节点间构建热阻关系并形成热网络,通过求解以温度为未知量的大型稀疏矩阵线性方程组来获得滚子轴承横截面的温度分布。该方法可以与轴承局部产热理论相结合,实现轴承局部产热的精准加载,完成温度场的精细化分析。通过与试验结果对比,本文方法对轴承外环表面中心线温度的预测结果与试验结果误差不超过13%。     

航空发动机附件机匣热分析计算软件开发

开发了一种通用的航空发动机附件机匣热分析计算软件。软件综合热网络法和有限元法的优势,用Fortran语言开发了基于热网络法的附件机匣内部元件热分析模块,用APDL语言开发了基于有限元软件ANSYS的壳体热分析模块,两个模块之间存在数据交换和迭代联算。软件具有通用性,可以满足各种不同结构的附件机匣热分析计算。通过对某航空发动机附件机匣进行热分析计算,获得了附件机匣的温度场分布、生热量以及滑油出口温度,说明了软件应用于附件机匣热分析计算的可行性。     

考虑热变形影响的主轴轴承动态特性

针对角接触球轴承高速工况下内部易产生大量的热量、温升过高而引起轴承零件热变形,导致轴承内部沟道曲率中心与球中心几何位置关系发生变化,进而影响动力学状态的问题,基于轴承分析的拟静力学理论,考虑了轴承内部摩擦功耗生热和轴承零件的热变形。利用热网络法划分主轴单元热网络节点,定义节点之间的热阻抗,建立了稳态热网络模型。分析了不同工作转速和载荷下各节点温升导致的轴承零件的热变形,得出了轴承动态特性和热特性之间的耦合关系模型,并分析研究了轴承内部的动力学特性。结果表明:随着轴承工作转速和载荷的变化,考虑热变形和不考虑热变形时的轴承接触载荷和接触角有显著不同,高速条件下轴承内部的热变形对轴承的动态特性影响巨大,是轴承在正常使用期间出现故障的主要原因之一。      

轴承腔热分析通用软件的开发与应用

为满足航空发动机设计需求,开发了一种全新的航空发动机轴承腔热分析通用软件。软件基于可视化图形建模技术与热网络算法,通过构建轴承腔热网络模型图来完成热分析计算,具有良好的通用性与适用性。软件前台是采用DELPHI编写的图形界面,可以完成图形建模、参数输入与输出;后台是基于热网络法建立的各节点热流平衡方程组,通过FORTRAN编写的主程序进行热分析计算。软件能够获得轴承腔细致的温度场分布以及热状态变化规律,通过与试验数据对比,软件具有良好的计算精度。     

基于Newton-Raphson算法的径向轴承瞬态热流体动力润滑的研究

建立了径向轴承在载荷和速度突然变化时的三维数学模型，模型中考虑了轴瓦的热变形，在油膜和轴瓦交界面采用热流连续的理想边界条件，数值模拟轴承的瞬态温度场，并对轴承的瞬态性能进行分析。在每一瞬时，用Newton—Raphson算法同时求解Reynolds方程、膜厚方程和轴颈运动方程获得轴承油膜的压力分布和轴颈中心的运动速度，然后数值积分压力分布得到轴承的油膜力，差分运动速度得到轴颈中心位置和运动加速度。用一有效的有限差分法同时求解油膜和轴瓦的温度控制方程。最后将Reynolds方程和能量方程通过节点压力和温度相耦合获得轴承的瞬态三维温度场。结果表明本所介绍的方法收敛快，大大节约计算时间。     

航空发动机主轴承热分析边界条件处理方法

为了提高航空发动机主推力球轴承热分析的计算精度,对轴承的摩擦发热和对流换热边界条件进行了分类及研究。应用ANSYS有限元分析软件,采用将摩擦热按体积生热率处理和将摩擦热按热流密度处理的2种不同方式,对边界条件进行了加载,分别对试验器状态的发动机主轴承进行了热分析计算,并与试验测量结果进行了对比。计算结果表明:采用表面效应单元加载热流密度的方式得到的轴承温度分布更理想,内部热点温度更集中,热点温度比按体积生热率加载的高。2种边界条件处理方法均已应用到航空发动机润滑系统热分析中,提高了航空发动机润滑系统热分析的准确性。     

考虑接触热阻的非连续转子快速启动热分析

针对燃气轮机转子非连续性的结构特点，通过考虑粗糙表面的接触热阻，建立了螺栓联接结构的热 结构耦合分析模型。研究了快速启动过程中轮毂间接触面上的温度分布及最大应力的变化规律，并分析了表面粗糙度和预紧力等接触参数对接触面间的温度分布、拉紧力及最大应力的影响。结果表明:热冲击下粗糙表面间的接触热阻对接触面的温度分布及最大应力影响明显，接触参数对螺栓联结结构的温度场、应力场及热变形特性影响较大。研究成果可为燃气轮机转子设计、热致振动分析及故障诊断提供理论依据。      

集成弹流润滑理论及CFD方法的轴承热特性

为能准确预测传动系统内部角接触球轴承在喷油润滑方式下的热特性,通过建立轴承热弹流润滑(EHL)模型,获得球体与滚道微观接触界面间的载荷及摩擦因数,并采用局部生热法计算生热量;应用计算流体动力学(CFD)方法建立轴承油气两相热流耦合模型,研究湍流模型及流体域边界条件的设置,分析喷油速度、喷嘴位置及含气率对轴承内部传热性能的影响。结果表明:结合热弹流润滑理论及CFD方法可预测轴承在不同工况条件、润滑参数、几何参数下的最佳喷油速度、喷嘴位置及含气率;喷油速度为5 m/s时,轴承内部最高温度较其他喷油速度降低了440%;喷嘴位置在轴承下方时,轴承内部最高温度较其他位置降低了430%;含气率为15%时,轴承内部最高温度较其他含气率降低了157%。     

轴承腔油气两相介质流动与热分析

为获得轴承腔油气两相介质流动与热分析计算方法,探究轴承腔油气两相介质流动换热规律。以某发动机轴承腔结构为对象,运用CFD方法分析轴承腔中两相介质流动速度、温度分布、体积分数和传热系数分布。基于试验获取轴承腔内外不同位置局部温度,利用温度梯度法计算热流获得传热系数。结果表明:两相介质的流动速度随径向高度增大呈现先增大后减小趋势,在无量纲径向高度为0.6时流速最大。轴承腔中转子及壁面之间的区域两相介质的温度随径向坐标增大呈现先减小后增大趋势。轴承腔内滑油主要分布在回油池及轴承腔外壁面上,回油池旁边其剪力分量和重力方向一致区域的油膜较薄,局部传热系数较小,其方向相反区域的油膜较厚,局部传热系数较大。      

航空发动机轴承腔热状态分析模型及温度场计算

分析了轴承腔的主要热源。建立了轴承及石墨密封摩擦热的计算模型、密封热泄漏量的计算模型、对流换热系数的计算模型及温度场的计算模型。用热网络法建立了轴承腔的热平衡方程组,并采用拟牛顿法求解了该方程组。获得了10种不同工况下的温度场计算结果,该结果与本文的测试结果基本吻合。      

多层隔热材料的热设计方法研究

基于多层隔热材料稳态辐射导热耦合传热提出一种多层隔热材料热设计方法,可以根据反射屏分布规律实现多层隔热材料热设计,给出最优反射屏数目和每层隔热材料的厚度.采用提出的热设计方法开展了热设计算例研究,结果表明:对按照层等温降和层等厚度规律设计的多层隔热材料,等厚度规律设计比等温降规律设计更能降低隔热材料的总质量,研究结果对多层隔热材料热设计研究具有一定的指导作用.     

接触热阻与接触导热填料

在调研国内外接触热阻研究的基础上,介绍了关接触热阻及接触导热填料的研究发展情况,对导热脂及油、金属、导热垫、ＲＴＶ、镀层等导热填料的性能、应用情况作了简介,提供工程应用参考。     

热循环对某热控涂层热辐射的影响

对某热控涂层进行了快速高低温循环试验(-196~900℃),通过太阳吸收比、半球发射率检测和SEM形貌等对涂层的热辐射性能进行分析。实验表明,经过热循环后,该涂层保持高吸收比的稳定状态(0.87左右),而半球发射率从原始的0.57提高到0.72,最后稳定在0.75左右。SEM微观形貌研究表明,热循环实验使涂层表面的结晶度和晶粒大小发生变化,导致涂层热辐射性能改变。     

Effect of Sintering on Thermal Conductivity and Thermal Barrier Effects of Thermal Barrier Coatings

Thermal barrier coatings (TBCs) are mostly applied to hot components of advanced turbine engines to insulate the components from hot gas. The effect of sintering on thermal conductivity and thermal barrier effects of conventional plasma sprayed and nanostructured yttria stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) are investigated. Remarkable increase in thermal conductivity occurs to both typical coatings after heat treatment. The change of porosity is just the opposite. The grain size of the nanostructured zirconia coating increases more drastically with annealing time compared to that of the conventional plasma sprayed coating, which indicates that coating sintering makes more contributions to the thermal conductivity of the nanostructured coating than that of the conventional coating. Thermal barrier effect tests using temperature difference technique are performed on both coatings. The thermal barrier effects decrease with the increase of thermal conductivity after heat treatment and the decline seems more drastic in low thermal conductivity range. The decline in thermal barrier effects is about 80 °C for nanostructured coating after 100 h heat treatment, while the conventional coating reduces by less than 60 °C compared to the as-sprayed coating.     

热障涂层的热疲劳试验方法

提出了采用圆筒状试样、用电炉加热-水冷的方式,在符合 HB 6660-1992 规定的热疲劳试验机上测定热障涂层热疲劳抗力的试验方法.给出了试样图,规定了试验设备和试样的安装方法;制订了包括试验参数的确定、试验温度的测量与控制和热疲劳抗力的测量方法等全部试验程序;分析了不同试验条件下涂层的损伤规律,提出了涂层失效的判定...     

纳米隔热材料的热导率变化规律

为认识和掌握纳米隔热材料的热导率变化规律,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源、炭黑为遮光剂、石英纤维为增强体,采用溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥技术制备了纳米隔热材料,并采用热导率测试仪、N_2吸附-脱附、SEM、激光粒度仪对材料进行了表征。测试结果表明:未添加炭黑的材料常压热导率随表观密度的变化以203 kg/m~3为分界点,分界点之前随表观密度的增大线性降低,分界点之后则随表观密度的增大线性升高,并且后一阶段较前一阶段变化快。孔隙率相同时,常压热导率随炭黑含量的增加先降低后稍有升高,极限真空热导率逐渐降低,而常压条件下的气相热导率增大。在半对数坐标系中,气相热导率随环境气压的下降而降低,并且依据降低速率可以划分为三个阶段,101.325～30 kPa之间下降最快,且变化值约为6 mW/(m·K);30～0.1 kPa之间下降较快,且变化值约为2 mW/(m·K);0.1～0.01 kPa之间下降最慢,且基本可以忽略不计。材料常压热导率最低值为16.62 mW/(m·K),添加5wt%的炭黑后可以进一步降低至14.50 mW/(m·K)。     

基于热喷涂技术制备的热障涂层

着眼于热喷涂技术在热障涂层制备方面的研究现状,在分析热障涂层失效原因的基础上,介绍了等离子喷涂技术及冷喷涂技术和在热障涂层结合层和陶瓷层制备方面的研究进展。     

EB-PVD方法制备热障涂层热循环性能研究

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在不同基体预热温度条件下制备NiCoCrAlY粘结层和氧化钇部分稳定的氧化锆面层。对样品进行了热循环试验。观察热循环过程中热障涂层显微结构的变化并分析了连续恒温氧化与热循环氧化间的差异,提出了EB-PVD热障涂层热循环的失效机理。     

超燃冲压发动机支板热环境及热防护方案

在超燃冲压发动机工作过程中,支板前缘的热环境非常恶劣。本文研究了超燃冲压发动机支板前缘的热环境,得到了热载荷分布。提出了支板前缘金属结构再生冷却方案、耐烧蚀材料热防护方案和气体喷射热防护方案,并对这三种方案的热防护效果进行了数值模拟。数值模拟的结果表明,金属结构再生冷却方案无法对支板进行有效的热防护;耐烧蚀材料方案可以在飞行马赫数8以下起到很好的热防护效果;而当马赫数大于8时,则只有气体喷射方案可以实现有效的热防护。