叶尖定时技术在转子叶片故障排除中的应用

介绍了基于叶尖定时的非接触振动测试系统的基本原理和数据分析方法，并将之应用于某型航空发动机压气机第5级转子叶片掉块故障分析。通过优化传感器的轴向分布和周向布局，分别测量3类叶片（原型、优化和削角）前缘和尾缘位置高阶振动信息，包括共振转速、频率和幅值。分别对比原型、优化叶片的前缘和尾缘测试结果，每类叶片的前缘和尾缘位置的共振幅值基本一致；对比3类叶片的前缘位置振动参数，优化叶片的共振转速较原型叶片有所增加，削角叶片的共振转速较优化叶片有所增加；对比原型、优化叶片尾缘位置振动参数，优化叶片的共振转速较原型叶片有所增加。可以判断:原型叶片发生疲劳断裂主要原因是其在工作转速4200 r/min出现高阶模态共振现象；优化叶片的共振转速较原型叶片增加40～80 r/min，叶片故障率降低，而削角叶片的共振转速较原型叶片增加140～180 r/min，且对应尾缘位置削角，可以排除叶片掉块故障。      

基于三维叶尖间隙的叶片裂纹动力响应特征分析与诊断方法

将裂纹叶片三维动力响应分析与参数识别方法相结合，分析不同裂纹叶片状态下三维叶尖间隙（3-dimensional blade tip clearance,3D-BTC）动力响应参量的信息熵特征，并利用稀疏滤波从不同参量信息熵分布中无监督学习叶片裂纹的多尺度动力响应特征，实现裂纹叶片在运行过程中响应变化特征的信息熵定量描述。在此基础上，利用支持向量机（support vector machine,SVM）的强非线性映射能力建立多尺度响应特征空间与状态空间之间复杂映射。经试验证实，所提方法能实现叶片裂纹损伤程度的定量诊断，达到100%的诊断准确率，远优于其他方法，且诊断结果稳定性好。     

叶顶间隙流动中的涡结构实验研究

叶顶间隙流动中的旋涡结构是引发导管桨、水轮机等水力机械叶顶间隙空化问题的主要因素之一。与常规船用螺旋桨（叶顶无端壁）上的梢涡流动不同，叶顶间隙流动受叶片载荷分布和间隙尺度（叶片梢部与端壁的距离）共同作用。为了研究叶顶间隙流动中的旋涡结构特性及其影响因素作用机理，本文采用二维NACA0024翼型在空泡机理水筒中，开展了基于旋涡空化观测的叶顶间隙流动显示实验和基于2D-3C PIV的叶顶间隙流场测量实验。通过空化观测实验，获得了叶顶间隙流动中的旋涡整体分布状态，以及间隙宽度、雷诺数和载荷系数等对旋涡强度的影响规律。通过流场测量实验，获得了局部全湿流场（无空化状态）中的旋涡分布规律以及其随不同影响因素的变化规律。结合流动显示实验和流场测量实验，研究了叶顶间隙流动中的旋涡结构形态以及形成机理，并初步阐明了间隙宽度、雷诺数和载荷系数对叶顶间隙流动旋涡强度的影响规律。研究表明，在NACA0024翼型叶顶间隙流动中存在两种主要稳定涡结构，分别是梢分离涡和梢泄涡；稳定涡结构是引起叶顶间隙流动空化的主要因素；翼型攻角和间隙宽度的大小是影响叶顶间隙流动中旋涡结构强度的主要因素。     

非线性弹性单盘转子系统稳定性分析

以转子动力学和非线性动力学理论为基础，针对非线性转子-轴承系统的具体特点，建立了采用Capone短轴承非线性油膜力模型的弹性转子系统模型，并用庞加莱映射方法，得到系统在参数域中的分岔图、轴心轨迹图、Poincare映射图、时间历程图和频谱图，从而得出分岔失稳转速随偏心量、轴承间隙、润滑油黏度3个参数的变化规律。研究结果可为该类转子-轴承系统的设计和安全运行提供参考。     

后排转子直径对对转螺旋桨气动和声学特性的影响

基于非线性谐波法和声类比模型，研究了不同后排转子直径对对转螺旋桨气动特性和噪声的影响规律。首先，利用单排螺旋桨风洞试验结果验证了数值计算方法的可靠性。随后，以某型对转螺旋桨为研究对象，研究了6种具有不同后排转子直径的对转螺旋桨模型。研究发现，对转螺旋桨后排转子直径“裁剪”会降低后排螺旋桨的拉力系数和功率系数，但对效率的影响不明显。随着后排转子直径的减小，前排转子的叶片通过频率下的噪声几乎没有变化，但高阶噪声变化幅度较大。后排转子减小0.25倍直径，后排转子的叶片通过频率下的噪声降低约为9 dB。后排转子直径“裁剪”不仅可以降低后排转子噪声，在一定程度上也可以降低前排转子的噪声。通过叶片“裁剪”，对转螺旋桨气动噪声降低5~6 dB。对转螺旋桨后排转子直径的减小，减弱了对转螺旋桨叶尖涡干涉和尾迹干涉，并减弱了前后排桨叶的势流场干涉，进而降低了对转螺旋桨的噪声辐射。     

大子午扩张变几何涡轮可调叶片端区设计优化

提出采用高负荷设计以减少叶片数的方法,增大圆盘直径而减小泄漏面积；结合叶片进行后加载改型措施以减小由于高负荷设计所增加的二次流损失.对定几何涡轮、仅有驱动轴的变几何涡轮与带圆盘型冠的变几何涡轮的流场进行三维数值模拟计算,分析了3种涡轮性能的优劣.结果表明:大间隙尺度下了间隙泄漏涡强度较大,并与通道涡相互融合,从而增大了泄漏损失区域,增加了泄漏损失；而在涡轮叶片由于高负荷设计会增加了主流区的二次流损失.该方法可以有效地减小周向泄漏面积,极大地抑制由大间隙尺度所导致的间隙泄漏涡与通道涡的相互融合,减小泄漏损失.而通过后加载改型的措施,抑制了主流区的通道涡的发展趋势,减小了二次流损失.这两种措施结合后的变几何涡轮具有较高的全工况性能.      

基于线性间隙单元的民机舱门破损安全分析

现代民用飞机的登机门、应急门等舱门多采用半堵塞式方案,这类舱门的部分结构,如导向轴、止动块等,大于门框的净开口尺寸。在承受正压载荷时,舱门止动块和门框止动块接触,同时导向轴和导向槽需要保持足够的间隙以保证增压载荷全部通过止动块传递至机身。在破损安全工况中,当某一止动块破损时,舱门变形可能导致导向轴和导向槽接触从而将一部分载荷传递至机身,显然这取决于二者之间的间隙大小。传统的破损安全分析中多忽略导向轴和导向槽之间的间隙,认为止动块破损后相邻的导向轴一定会承担一部分增压载荷。以某型飞机的半堵塞式登机门为研究对象,使用MSC/NASTRAN的线性间隙单元模拟导向轴和导向槽的初始间隙,对破损安全工况下登机门的受力情况进行分析,结合未考虑初始间隙的分析结果进行讨论,对比结果说明了线性间隙单元在民用飞机破损安全工况分析中的作用,进一步揭示了设计间隙对于载荷分配的影响规律,从强度角度给出舱门关键传力部件的设计依据。     

基于等效间隙的机匣安装边泄漏量定量计算方法

结合平行平板流动理论，结合流量因子法和粗糙面接触压力与接触间隙的关系，提出了一种基于等效间隙、能够考虑微观粗糙形貌及受不均匀分布载荷的机匣安装边泄漏量定量计算方法；采用有限元计算方法，研究了内部气体压力和轴向力对机匣安装边气体泄漏量的影响规律；研究表明，随着内部气体压力的增加，泄漏量增大，随着轴向力的增加，泄漏量略微减小；最后将计算结果与泄漏量实验结果进行对比，在内部气体压力和轴向力作用下的泄漏量最大误差分别为3.5%和3.6%，证明了本文计算方法的有效性。     

考虑区间叠加不确定间隙的空间可展机构动力学研究

本文建立了考虑不确定间隙空间可展机构动力学模型，通过对不确定间隙进行描述，结合传统接触模型提出含不确定区间间隙的接触力模型，并将其嵌入展开单元动力学模型，通过切比雪夫区间求解对含区间系统动力学模型进行求解，针对区间求解中启动阶段估计不准、区间叠加误差过大、区间整合的问题与展开单元叠加问题，提出了相适应的区间扩张、局部均值分解与瞬时叠加方法降低区间求解误差，并给出区间间隙累加下动力学响应边界。结果表明:区间间隙大小主要对系统运动精度产生较大影响，而区间间隙数量对系统运动稳定度影响较为严重。区间叠加方法相比于传统拟合方法可进一步提高空间可展机构预示精度，相较于传统拟合结果可提高7.74%。     

基于势流理论的螺旋桨效率-噪声样本分析方法

为了提高效率、降低噪声，螺旋桨设计需要在精确的性能预报基础上，平衡不同参数对设计目标带来的影响。本文以面元法为主要手段预报CLT桨的水动力性能，并引入噪声模型进行噪声预报。整个过程以4叶CLT（Contracted and Loaded Tip）桨—P1727桨为母型桨，在螺距比为原桨螺距比0.9~1.2倍范围内，考虑3叶、4叶、5叶三种叶数形式，最终计算100个设计桨案例的水动力性能和噪声性能。设计桨最终满足某中型船的推力要求，并寻找螺旋桨最小叶尖涡流噪声-最大效率解集。计算结果表明，在固定推力值的情况下，螺旋桨叶数与噪声成反比趋势，效率与噪声性能受螺距比影响，并呈现出一定的规律性。对于高效桨P1727而言，改变螺距比与叶数会使效率与噪声存在一定的平衡范围，可以应对不同的设计要求。