航空发动机低压转子系统的动力学相似设计方法

提出了航空发动机转子系统动力学相似设计方法,以便采用模型替代实际结构对其动力学特性进行研究。基于转子系统的动力学等效原则,通过动力学优化方法建立全尺寸原型的相似等效模型。综合采用方程分析和量纲分析推导转子系统的动力学相似准则,并根据转子设计参数的相似关系建立相似等效模型的缩比模型。基于模型修正方法对三维设计模型的相似误差进行修正,得到预测精度较高的动力学相似模型。以双转子发动机低压转子试验模型的动力学相似设计为例,通过有限元仿真对动力学相似设计方法的有效性进行了验证。结果表明:在设计转速范围内,通过该方法得到的动力学相似模型能够有效预测全尺寸原型的临界转速和不平衡响应,前三阶临界转速的相似误差分别为3.09%、1.75%和0.31%,对应振型的相关性均大于0.93。该方法具有较高的实用价值,可为发动机整机动力学相似设计提供参考。     

基于转子跳动和初始不平衡量优化的 多级盘转子结构装配工艺

为了综合优化转子系统跳动和初始不平衡量,通过分析多级盘转子结构同心度、垂直度与不平衡量参数的叠加机理及装配参数对不平衡量的影响关系,建立适当的优化目标函数,利用VBA计算程序进行优化分析;结合实践应用经验对跳动误差进行分析与修正,在各级盘装配相位关系的可行域内选择最优方案。结果表明:与传统堆叠优化方案相比,对某压气机盘鼓组件进行双目标优化能够使初始静不平衡量最大降低86%,有效提升转子装配质量,提高装配效率。该装配工艺优化方法对于航空发动机装配优化、分解检查及连接面质量评估等方面具有较强的工程指导意义。     

航空发动机支承系统的动柔度系数矩阵及其测量

转子系统的临界转速、不平衡响应和稳定性分析时,必须考虑支承系统的影响。但在实际发动机上,由于机匣部分结构十分复杂,工艺误差造成的差别较大,因而其动力特性往往需要实际测量。为此作者对某种双转子涡轮喷气发动机进行了激振试验,以确定支承的动柔度系数和耦合动柔度系数,取得其部分动柔度系数矩阵,供计算时作为原始数据。     

基于多重优化的多级盘转子虚拟装配平衡方法

针对航空发动机转子振动精准抑制对装配工艺的需求,提出了一种虑及多转速多级盘结构转子虚拟装配平衡优化方法。以多级盘转子试验台为对象建立了转子动力学模型,在各级盘残余不平衡量及转子原始振动已知的情况下,通过仿真模型进行虚拟装配。以转子各测点的残余振动以及转子整体不平衡力和不平衡力矩为优化目标,采用多重优化算法寻找各级轮盘装配角度的优化方案。最后在3盘转子系统试验台上进行了试验验证,结果表明,使用该方法可使转子在宽转速范围内振动均有所下降,其中最大下降幅度为85.75%。本文结果可为航空发动机多级盘结构转子装配提供方法和技术支撑。     

基于建模仿真分析的模拟转子平衡技术

为提高航空发动机转子平衡精度及单元体装配独立性,对模拟转子平衡技术内在机理及模拟转子设计方法进行研究。采用数值模拟分析方法,基于低速硬支撑转子平衡测量及误差转位补偿原理,建立转子平衡过程的完整数学模型,分析平衡误差组成项,提取影响模拟转子平衡精度的参数。利用蒙特卡罗仿真及单因素试验方法、设计仿真算法,对误差项中的各参数进行仿真计算,得到各参数对平衡测量结果的影响规律及误差容限。结果表明：模拟转子可以再现由转子加工误差引入的附加不平衡量,其中模拟转子配合面端跳、柱跳、跨距、质心轴向位置、转动惯量、质量等参数均会影响附加不平衡量测量精度。各参数设计精度与测量精度正相关,但对测量精度影响权重不同。当配合面跳动小于0.005 mm,其余各参数精度控制在特定范围内时,测量误差近似为0,即模拟转子测量结果准确有效。     

航空发动机高压转子试验模型的动力学相似设计

为了获得能够替代航空发动机转子原型进行动力学试验的模型，提出了发动机转子系统试验模型的动力学相似设计方法。采用相似理论推导了转子系统缩比模型的动力学相似准则，继而建立缩比模型与原型的动力学相似关系。通过动力学优化方法对转子缩比模型的动力学等效模型进行修正，目标函数由固有频率、临界转速和振型组成。以双转子发动机高压转子系统的动力学相似设计为例，通过有限元仿真对设计方法的有效性进行了验证。结果表明，在设计转速范围内，动力学相似模型与原型的前两阶临界转速相似误差分别为3.92%和0.86%，对应振型的相关性均大于0.98，且模型与原型的模态应变能分布基本一致。通过该方法获得的动力学相似模型能够较好地预测原型的动力学特性，并有效降低模型试验的成本和难度。     

航空发动机转子静、偶不平衡量控制方法研究

针对航空发动机转子静、偶不平衡量控制方法开展研究,基于坐标变换原理,以转子不同心度满足设计要求为约束条件,以转子静、偶不平衡量线性加权和最小为优化目标,提出了一种转子不同心度与不平衡量的计算方法,应用该方法对某型发动机的风扇转子进行了分析,表明该工艺方法能够明显改善转子不平衡量,达到控制转子静、偶不平衡量的目的。     

微小型涡喷发动机转子涡动控制方法研究

针对微小型涡喷发动机转子系统的涡动以及稳定性问题,提出了一种涡动控制方法,并通过试验验证了该方法的有效性。该方法主要通过轴向预紧力或波形弹簧压缩量、波形弹簧刚度、转子转速、转子质量以及不平衡量信息在标量系统中利用能量相等原理,计算衰减涡动需要的库仑阻尼垫片厚度、数量以及安装形式,结合阻尼橡胶对转子的外阻尼进行调节并装配结构,从而精确控制发动机转子的涡动幅值以达到微小型涡轮喷气发动机在较高转速下稳定工作的要求。     

带中介轴承双转子系统“可容模态”优化设计及实验

为解决航空发动机双转子系统无法避开临界转速的问题，提高双转子系统容忍振动的能力，根据带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法，以某型带中介轴承双转子发动机相似模型为初始模型进行优化设计，并以此搭建一套双转子实验器系统。通过模态测试、响应测试、连续变转速以及长时间“共振”实验，先后验证了带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法的准确性、有效性、稳定性和可靠性。研究发现，双转子实验器测试结果与计算结果临界转速误差最高3.06%、模态振型误差最高9.6%；工作范围内任意转速下，即使频繁穿越临界转速，振动幅值均不超过50μm；在6阶临界转速处各完成了不少于3790s的“共振”实验，所容忍的不平衡量最大为设计不平衡量的5.2倍，振幅平稳，且可容度评价函数值越高，容忍共振能力越强。实验结果充分验证了带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法是可行的。     

大型发动机转子本机平衡技术试验研究

在没有高速动平衡机的情况下,对大型航空发动机风扇转子进行平衡,需要采用叶片质量矩优化排序来完成初始平衡,之后在试车台进行本机平衡的方法。分析了某大型发动机在试车中的本机平衡过程,认为在发动机没有发生碰摩等故障,且整机振动未危及安全的情况下,本机平衡转速应尽可能提高。以发动机叶片监测系统所测磁钢信号为基准,利用1次试加配重,通过振动相位和幅值的变化,来确定转子原始不平衡量的大小和方向。试验结果表明,利用该方法进行平衡后,发动机整机振动明显减小,符合发动机试车的要求。     

基于飞机油箱模型形状特征油量测量切片步长选择方法研究

 在分析飞机数字式油量测量过程中目前广泛使用的切片法油量测量原理的基础上,针对现有的定步长切片法无法得到准确、可靠的燃油质量特性数据库的缺陷,结合对飞机油箱模型形状特征的分析,提出了基于飞机油箱模型形状特征的油量测量切片步长选择方法。此方法包括切片步长整体和局部选择两个过程,整体选择以实现相邻两切片平面所夹油箱模型体积近似相等为目的来确定切片步长,以体现油箱模型截面整体变化规律;局部选择以设计切片平面与截面突变平面重合或尽可能接近的方式,突出油箱截面的局部变化特征。实验结果表明：该切片步长选择方法较定步长方法能够建立更为合理、可靠的燃油质量特性数据库,从而提高了油量测量精度。     

二维翼段颤振的μ控制

 采用超声电机作为作动器来实现含控制面的翼段颤振鲁棒抑制。针对作者设计的二维翼段颤振主动抑制系统，通过理论与实验相结合的方法，建立了考虑沉浮方向阻尼和作动器模型参数不确定性的控制系统模型，设计了μ控制器，并对控制器做了降阶处理。数值仿真和风洞试验表明，μ控制器可有效地抑制颤振的发生，将颤振临界速度提高23.4%。相对于H_∞控制器，μ控制器的控制效果和鲁棒性更好。     

The effect of inlet conditions on the flow and heat transfer in multiple rotating cavity with axial throughflow

This paper discusses experimental results from two different build configurations of a heated multiple rotating cavity test rig.Measurements of heat transfer from the discs and tangential velocities are presented.The test rig is a 70% full scale version of a high pressure compressor stack of an axial gas turbine engine.Of particular interest are the internal cylindrical cavities formed by adjacent discs and the interaction of these with a central axial throughflow of cooling air.Tests were carried out for a range of non-dimensional parameters representative of high pressure compressor internal air system flows(Re up to 5×106 and Rez up to 2×105).Two different builds have been tested.The most significant difference between these two build configurations is the size of the annular gap between the(non-rotating) drive shaft and the bores of the discs.The heat transfer data were obtained from thermocouple measurements of surface temperature and a conduction solution method.The velocity measurements were made using a two component,LDA system.The heat transfer results from the discs show differences between the two builds.This is attributed to the wider annular gap allowing more of the throughflow to penetrate into the cavity.There are also significant differences between the radial distributions of tangential velocity in the two builds of the test rig.For the narrow annular gap,there is an increase of non-dimensional tangential velocity V/Ωr with radial location to solid body rotation V/Ωr=1.For the wider annular gap,the non-dimensional velocities show a decrease with radial location to solid body rotation.      

Abnormal Shape Mould Winding

为解决网格化芯模的缠绕问题,本文提出了复合材料面片缠绕机理;接着详细分析了面片缠绕过程中的芯模凹曲面上纤维滑线和架空现象,应用微分几何曲面理论和空间几何理论,提出判据及其解决方案;最后,针对飞机发动机进气道的缠绕成型,编制缠绕控制程序并进行相应的实验,验证了面片缠绕方法的可行性。     

基于H∞性能指标的质量矩拦截弹鲁棒控制

 以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础，利用微分几何的反馈线性化理论，得到一个解耦线性系统，考虑到拦截弹的鲁棒性要求和3个滑块的协调控制问题，提出采用双回路的设计方法，内回路采用线性二次调节器（LQR），外回路采用考虑混合灵敏度问题的H_∞控制设计。仿真结果证明了该方法动态性能满足设计要求，同时对系统参数的不确定性具有较强的鲁棒性。     

航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。     

基于马赫数分布可控曲面外/内锥形基准流场的前体/进气道一体化设计

提出了一种高超声速飞行器乘波前体的外锥形基准流场设计方法,在锥面马赫数分布规律给定的条件下,通过有旋特征线法实现反设计,提高了基准流场设计的灵活性。该基准流场通过锥形"下凹"弯曲激波和波后等熵压缩波系压缩气流,可以在较短的长度内完成高效压缩。基于反正切马赫数分布外锥形基准流场设计的乘波前体具有较高的容积率,乘波特性良好且出口均匀,设计点时有黏升阻比为1.89。另外,基于该乘波前体和马赫数分布可控的内收缩进气道给出了一种双乘波的前体与进气道一体化设计方案,实现了内外流分别独立乘波,充分发挥了乘波前体和内收缩进气道的各自优势。     

Potentials of manufacture and repair of nickel base turbine components used in aero engines and power plants by laser metal deposition and laser drilling

IntroductionExpensive turbine parts like HPT(HighPressure Turine)blades or vanes are replaced bynew parts in case of damage.For example theburn through of the inner side of a blade or vane(Figure 1)is a frequently appearing damage,which cannot be repaired…     

Enhancing the efectiveness of film cooling

Advanced gas turbine stages are designed to operate at increasingly higher inlet temperatures to increase thermal efficiency and specific power output.To maintain durability and reasonable life,film cooling is needed in addition to internal cooling,especially for the first stage.Film cooling lowers material temperature by forced convection inside film-cooling holes and by forming a layer of coolant about component surfaces to insulate them from the hot gases.Unfortunately,each cooling jet forms a pair of counter-rotating vortices that entrains hot gas and causes the film-cooling jet to lift off from the surface that it is intended to protect.This paper gives an overview of efforts to enhance the effectiveness of film-cooling.This paper also describes two new design concepts.One design concept seeks to minimize the entrainment of hot gases underneath of film-cooling jets by using flow-aligned blockers.The other design concept shifts the interaction between the approaching hot gas and the cooling jet to occur further above the surface by using an upstream ramp.For both design concepts,computational fluid dynamics results are presented to examine their usefulness in enhancing film-cooling effectiveness.      

Guide for Authors

<正>About Journal Chinese Journal of Aeronautics(CJA)is a comprehensive academic journal dealing with the fields of aeronautics and astronautics.It reports researches concerning the two fields in China and abroad to promote the academic exchange.Founded in 1988 and sponsored by the Chinese Society of Aeronautics and Astronautics and Beihang University,CJA publishes papers bimonthly,with issues released in February,April,June,August,October and December.