二维活塞航空燃油泵容积效率分析

提出了一种二维活塞燃油泵，该泵利用二维活塞的旋转运动将配流机构集成到活塞上，去除了传统柱塞泵独立的配流机构，简化了泵的结构、提升了泵的功率密度，而且由于主要运动机构采用了滚动轴承支撑，免除了滑动摩擦副及其产生的泄漏，提高了效率。对泵的容积效率进行理论分析和实验研究。结合泵的结构原理分析了造成容积损失的内泄、外泄及油液压缩性等3种主要原因；应用层流和紊流的缝隙流动基本理论推导出泄漏解析表达式，着重分析了不同配流开口形式产生的内泄漏；综合考虑油液压缩性和泄漏获得了容积效率数学模型。理论研究表明采用负开口配流形式可以有效减小内泄漏，定量分析了泄漏流量与负开口量的关系，同时利用Fluent进行配流过程中泵腔内的流场数值模拟，结果表明可以有效减小油液倒灌。为了验证理论分析的有效性，制作二维活塞燃油泵样机，以航空煤油为介质进行台架实验。样机实验结果表明在负载压力2 MPa，转速从1 000 r/min到5 000 r/min，容积效率从93.6%提升到98.1%；当转速为2 000 r/min，负载压力从1 MPa增大到5 MPa，容积效率从97.5%降低到92.3%。以现有的齿轮泵和柱塞泵相比容积效率显著提高，理论与实验的结果偏差在4%以内，表明理论分析的有效性和正确性。     

超临界二氧化碳涡轮发电机振动试验

搭建20 kW超临界二氧化碳涡轮发电试验系统,开展涡轮发电机轴系临界转速数值仿真研究,对比分析空心轴与实心轴的前4阶临界转速与振型,并计算涡轮的前4阶模态频率。开展转速与负载对轴系振动特性影响的试验研究,采用频谱图分析转速0~48 000 r/min、负载0~20 kW下涡轮端与自由端壳体加速度振动响应。计算与试验结果表明:文中空心转子的临界转速高于实心转子的临界转速,有涡轮转子的临界转速低于无涡轮转子的临界转速。随着负荷从0 kW增加到15 kW,转子工频振动逐渐减小,但出现幅值较低的倍频振动;在转速区域11 000~40 000 r/min,不同功率下驱动端的振动响应低于自由端的振动响应,在转速48 000 r/min时,不同功率下驱动端的振动响应均高于自由端的振动响应。      

高速无轴承永磁电机设计与分析

高速电机具有高功率密度、能够减小设备体积与重量,可以直接驱动负载、提高传动效率,在航空航天、新能源、精密制造等领域具有广阔的应用前景。将无轴承永磁电机应用于高速驱动系统,在推导无轴承永磁电机数学模型基础上,提出了高速无轴承永磁电机设计方法。通过对一台额定功率2 300 W、额定转速8 000 r/min、调速范围0~60 000 r/min的高速无轴承永磁电机进行电磁和机械一体化设计,并采用有限元法对样机的电磁性能和动力学性能进行优化。仿真试验结果验证了所采用的设计方法的正确性。     

超高速干气密封扰流效应及抑扰机制

干气密封在高速时优异的动压性能使其应用范围从传统的压缩机、离心机等中高速设备逐渐扩大到航空发动机、（微型）燃气轮机等超高速设备中。基于实际超高速工况特点，对转速范围为10 000~120 000 r/min时的干气密封性能进行了系统性仿真计算，结果发现：在一定几何参数和工况参数下，类似于气浮轴承的微振动现象，干气密封会出现疑似受气体压力波动流影响的开启力、泄漏量与转速非正相关变化的扰流现象，尤其在高压、大膜厚、小槽深时的扰流效应愈加显著；在转速持续增大过程中，干气密封微尺度流场会出现二次拐点现象，且一次拐点发生转速与设计参数有关，而二次拐点发生转速基本约为90 000 r/min。同时结合导流织构的设计思路，进一步研究了超高速下干气密封槽底导流织构的驱动导流效应，结果表明：加设导流织构后，承载效果明显提高，拐点发生工况延后且压力波动区域被压缩。表明导流织构具有良好的抑制扰流、维持开启力与转速持续正相关的作用，在此基础上，进一步阐释了导流织构的抑扰机制，以期为突破干气密封在超高速工况下的应用壁垒提供新思路。     

指式密封泄漏特性的实验研究

设计了三组不同间隙的实验件,研究了基本结构指式密封从初始使用到稳定后的泄漏特性.结果表明:指式密封在初始使用时泄漏量较大,而且迟滞较为明显;随着使用时间的增长,密封性能趋于稳定,稳定后"指"之间的间隙对泄漏系数影响比较大;随着压差的增大,泄漏系数先是增加,后趋于定值;在实验转速范围内(<3 000 r/min),转子转速对指式密封泄漏系数影响不大;密封泄漏系数随密封层数的增加而减少.      

基于替代燃料的航空燃油泵内部空化特性

为了研究以国产大庆RP-3航空煤油为流动介质的航空燃油泵内部空化特性,采用数值模拟的方法研究了高温低压环境下航空燃油泵内部的空化流动.针对航空煤油这种成分复杂的介质,引入替代燃料的概念,选择摩尔分数为74.5%的正十二烷、10%的甲基环已烷、10%的甲苯和5.5%的辛烷构成的四组分替代燃料模拟大庆RP-3航空煤油.计算中采用基于旋转修正的k-ε湍流模型以及Zwart-Gerber-Belamri空化模型,基于实验结果对数值方法进行了验证分析.研究结果表明:基于替代燃料和旋转修正的k-ε湍流模型的数值计算方法能够较准确地预测航空燃油泵的空化特性;忽略大庆RP-3航空煤油空化热力学效应,温度对航空燃油泵空化性能有一定影响,在80℃工况下,航空燃油泵空化性能较差;转速对航空燃油泵空化性能影响较大,航空燃油泵在转速为10000r/min工况下空化比转速最大,空化性能最好.      

旋转对固体火箭发动机两相流点火过程影响仿真研究

为研究高速旋转对内外燃管型装药固体火箭发动机凝聚相点火瞬态过程的影响规律，应用计算流体动力学（CFD）流体计算软件，使用用户定义函数（UDF）编程接口建立固体火箭发动机点火模型，对旋转条件下发动机凝聚相点火过程进行模拟。将数值计算结果与地面旋转实验内弹道进行对比分析，验证数值模型的正确性。计算结果表明：①点火药燃气颗粒因旋转做离心运动，大量粒子聚集在燃烧室头部上端，部分粒子附着在发动机壁面，且停留时间较长。②点火药燃气颗粒占比从20%增加到40%，点火压力峰值降低3.93%，发动机转速的升高会造成内弹道平衡压力升高，但点火压力峰会逐渐降低，且峰值出现时间发生延迟，转速达到15 000 r/min时点火压力峰消失。③转速增大，点火颗粒与推进剂传热增大，火焰传播期减小，但燃气填充期和点火延迟增大，点火药燃气颗粒占比为20%时，转速为15 000 r/min较静止条件下点火延迟增加了23.76%。     

直通型篦齿封严特性的试验

对真实尺寸下直通型篦齿的封严特性进行了试验,考察了几何参数及转速对篦齿封严特性的影响,结果表明:①在试验范围内,篦齿泄漏系数均随雷诺数的增加而增大;②泄漏系数随齿数的增加而降低;③同一雷诺数下,间隙较小时泄漏系数较大;④小间隙(s=0.4,0.5 mm)时,转速对泄漏系数的影响不大;间隙为s=0.6 mm时,转速影响泄漏系数的界限为2 000 r/min.      

某航空活塞发动机进气系统优化设计

针对某型航空活塞发动机在节气门100%开度、5 000 r/min工况下各缸排温差异较大的现象,分别建立一维性能仿真模型和三维CFD模型,通过联合仿真分析进气系统内部流动特点,并找出导致排温差异的原因。提出了一种进气系统,计算结果表明:采用改进后的进气系统,在5 000 r/min、节气门100%开度下发动机整机进气不均匀性由原来的20% 降低 6%;当转速高于5 000 r/min时,相比于原机,采用该进气系统后各缸进气量均有所增加,在发动机转速5 500 r/min,外特性工况下平均循环进气量增加19%,单缸循环进气量最大增加34.1%,最小增加12.9%。      

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。