2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时，材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征，以2.5D编织结构复合材料为例，分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型，计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征，同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律，并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比，基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征，当平板内部平均温度梯度为25383K/m时，表面温度波动幅值达到12.41K，表面最高温度由906.96K增加到911.60K，并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时，随着纱线编织角度的增加，材料表面温度波动幅值下降，但表面的高温区域增加，沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加，材料表面的高温区域基本不变，温度波动幅值小幅下降，均匀性增强；随着纤维束与基体导热系数比的增加，材料表面的高温区域增加，温度波动幅值降幅较大，均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内，当边界温度达到1600K时，基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

不同来流条件对涡轮叶片表面颗粒沉积影响的实验研究

为了研究微颗粒在涡轮叶片表面的沉积特性，采用熔融态石蜡代替熔融态微颗粒，通过石蜡在平板表面的沉积来模拟真实涡轮叶片表面的微颗粒沉积，从而开展较低温度条件下微颗粒的沉积实验。通过实验观察石蜡在试验件表面附着固化分布，同时测量石蜡在平板表面不同位置的沉积量，研究了不同来流攻角、颗粒浓度对平板表面颗粒物沉积的影响规律，分析了等效加速实验的颗粒物沉积效果。结果表明：颗粒物沉积主要发生在平板前缘及压力面的中后部，前缘的颗粒沉积物质量远大于压力面和吸力面的。随着攻角的增大，压力面和吸力面沉积量显著增大，前缘变化不明显；随着来流颗粒浓度的增加，前缘和压力面的沉积量增加；对于已有等效加速实验准则，保持总粒子喷射质量相同，在颗粒浓度升高，实验时间变短的情况下，平板前缘位置的沉积量增大。     

模型转子突加不平衡响应分析及试验验证

为准确获取风扇叶片飞失引起的瞬态载荷,利用显式动力学有限元仿真方法进行了接触建模和瞬态分析,开展了多层次的试验标定和校核工作,利用这些试验结果与分析进行了对比验证。结果表明:采用的显式动力学有限元仿真方法为准确模拟突加不平衡过程中的动态特征提供一种可行的仿真手段,形成了一套构件-组件-整机、从静力学到动力学的模型修正方法。按照测试优先级定义的主要传力路径载荷、突加不平衡载荷等物理量,确定了模型修正的测试参数选取方法。利用支承锥壁动应变测量数据,结合模型标定结果,可以准确地获得支点峰值径向动载荷,预测的峰值动态载荷与试验获取的结果误差小于10%,此方法可以运用到支点冲击载荷间接测量中,提高测量的精度及简便性。      

共轴刚性旋翼气动外形优化设计

采用前行桨叶概念(Advancing blade concept,ABC)的共轴刚性旋翼构型的直升机具有高速前飞的能力,然而大前飞速度带来的强桨尖压缩性等影响对桨叶气动外形提出了更高的要求。鉴于此,本文针对共轴刚性旋翼的气动布局进行了优化设计,通过改进桨叶平面外形提升旋翼前飞性能。基于雷诺平均NS(Reynold-saveraged Navier-Stokes,RANS)方程对共轴旋翼流场进行了气动性能数值模拟,在此基础上建立了代理模型结合遗传算法(Genetic algorithm,GA)的高效共轴旋翼气动布局优化方法,以前飞升阻比为目标函数进行优化,得到约束外形下的具有非线性弦长分布、尖削及后掠特征的桨叶外形。试验结果表明优化桨叶相比基准矩形桨叶升阻比得到明显的提升(前进比为0.6状态下升阻比提升约30%),证明了优化的有效性。     

涡轮叶片叶冠扭转角三坐标测量方法研究

涡轮叶片形状复杂不规则,其叶冠扭转角度为空间夹角。如果采用平台测量,无法找到测量基准;如果制作专用工装,不仅效率低而且无法保证所需要的精度。本课题拟采用三坐标测量法对叶冠扭转角度进行测量。     

火箭发动机涡轮叶片疲劳寿命可靠性分析

由于生产加工和使用过程中材料属性、结构尺寸以及工作载荷等的随机性,疲劳寿命通常存在较大的分散性。考虑结构几何参数、材料属性、工作载荷等变量的随机性,采用Monte Carlo模拟法与响应面法相结合,对液体火箭发动机涡轮叶片进行概率疲劳寿命分析,确定了涡轮叶片疲劳寿命可靠度模型,并分析了疲劳寿命对各随机变量的敏感度,以及变量分散度对疲劳寿命的影响。结果表明:疲劳寿命呈偏态分布;涡轮入口温度对叶片疲劳寿命影响最大,材料的低周疲劳性能参数对寿命影响较大,转速及热膨胀系数对寿命有一定影响,而其他参数对寿命的影响小;控制变量分散度是提高叶片安全寿命的有效途径,对单变量而言,控制涡轮入口温度分散度效果最显著。     

缘板阻尼结构减振特性的影响因素分析

基于简化的叶片-缘板阻尼结构模型，开展缘板阻尼结构干摩擦阻尼减振特性的计算分析。阐述了谐波平衡法预测叶片响应的基本原理，并提出了一种基于离散傅里叶变换的雅克比矩阵快速计算方法，结果表明:该方法能够实现谐波平衡法的加速，并使叶片响应计算效率提高8倍以上。在此基础上，重点探究了离心力、缘板阻尼块质量、激振力、缘板倾斜角及缘板阻尼块转动等因素对叶片响应特性的影响，并总结上述关键设计参数对叶片-缘板阻尼结构减振特性的影响规律。      

旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大；当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。      

尾迹对动叶表面簸箕孔气膜冷却影响实验

采用压敏漆(PSP)技术研究了上游尾迹对吸力面和压力面带有单排簸箕形气膜孔的涡轮动叶表面气膜冷却效率的影响，获得了不同吹风比(0.25～1.5)和尾迹斯特劳哈尔数(0、0.12、0.36)条件下涡轮叶片表面气膜冷却效率分布的实验数据，结果表明:尾迹使吸力面簸箕孔后径向平均气膜冷却效率最大下降幅度达0.07，使压力面簸箕孔后径向平均气膜冷却效率最大下降幅度达0.024；有尾迹时，随着吹风比的增加，吸力面气膜孔后冷却效率逐渐降低，压力面气膜孔后冷却效率先增加后降低。      

基于时间推进的通流计算方法:现状及展望

为探究基于时间推进的通流方法在叶轮机械设计分析中的应用潜力,报告了国内外相关研究现状,详细阐述了该方法在应用过程中的若干关键问题,包括:叶片堵塞的几何描述、叶片力的模拟、叶片前后缘间断问题的处理和激波的捕获等,并对不同模型进行了比较。总结可知,相比传统通流方法,该方法具有捕捉激波,适应堵塞,流场模拟更为精细以及计算扩展性良好等诸多优点,在先进航空发动机或燃气轮机的部件设计和分析、整机稳态、过渡态性能模拟中,都具有相当的优势与应用潜力;同时尽管该方法的研究取得了很大进展,但在上述若干关键问题上仍有提高空间。通过进一步的发展与完善,该方法有望成为叶轮机械设计和分析的标准工具。