旋转叶片-机匣碰摩模型及试验研究综述

结合接触和冲击动力学理论,对旋转叶片-机匣碰摩模型的发展给出了比较全面的综述,重点探讨并对比了多种叶片-机匣碰摩模型,将叶片-机匣碰摩模型分为5类:基于碰撞能量守恒的法向碰摩模型,熔化黏着碰摩模型和可磨耗刮除碰摩模型,连续弹性碰摩模型,脉冲力局部碰摩模型,基于接触动力学的碰摩模型.指出了这5类模型的优缺点及其适用范围,并对目前已开展的叶片-机匣碰摩试验进行了介绍.最后建议了叶片-机匣碰摩模型的发展方向:建立多参数影响的精细法向和切向碰摩模型,通过接触动力学理论来模拟碰撞过程,基于试验数据来修正现有碰摩模型.      

离心压气机自循环预旋喷气机匣处理的设计和验证

采用一种预旋喷气机匣处理提高离心压气机特定转速范围内的稳定裕度.通过引气加大离心叶轮进口基元级流量降低通道堵塞,并借助回流预旋喷气改变前缘攻角抑制叶背分离是该机匣处理扩稳的主要机理.基于这样的认识,对机匣处理做了几何参数设计研究,发现轴向搭接位置、搭接长度和开槽角度是影响机匣处理性能的3个主要参数.通过几何参数的合理选取,在尽量提高80%设计转速稳定裕度的同时兼顾100%设计转速的效率.压气机部件性能试验验证了该设计方法的有效性,并观测到在低转速时,机匣处理可以同时提高稳定裕度和效率.      

Study on Titanium Alloy TC4 Ballistic Penetration Resistance Part I:Ballistic Impact Tests

Ballistic impact test of different-scale casings is an efficient way to demonstrate the casing containment capability at the preliminary design stage of the engine. For the sake of studying the titanium alloy TC4 casing performance, the ballistic tests of flat and curved simulation casing are implemented by using two flat blades of different sizes as the projectile. The impact mechanism and failure of the target are discussed. Impact of the projectile is a highly nonlinear transient process with the large deformation of the target. On the impact, failures of the flat casing and the subscale casing are similar, concluding two parts, the global dishing and localized ductile tearing. The main localized failure mode combines plugging (shear) and petaling (shear) if the projectile perforates or penetrates, while crater (shear) if the projectile rebounds. The ballistic limit equation is verified by the test data and the results show that this empirical equation could be a practical way to estimate the critical velocity.     

处理轮毂转速的实验研究

在低速环形叶栅实验台上圆弧斜槽处理轮毂相对静子扩压叶栅环的旋转频率对叶栅端壁区流动进行了影响实验探索。结果表明：轮毂处理能够消除叶栅端壁区的低速团,减小流动堵塞,叶栅流通能力最大提高了26．2％。轮毂处理消除端壁分离的能力与处理轮毂的旋转方向和相对转速密切相关。随着处理轮毂转速的增加,叶栅流通能力增加,并且存在局部非线性较强的转速范围。因此,轮毂处理的设计还应该考虑叶排与处理槽相对运动带来的流动非定常性。     

复杂异型机匣高效高精度动力学建模及评价方法

为了解决复杂异型机匣模型单元数量大、原始矩阵阶数高导致的动力学计算与后处理困难的问题,提出基于试验模态分析-大规模有限元-子结构缩聚的复杂异型机匣高精度动力学建模及评价方法。以某型直升机主减速器机匣为研究对象,建立该异型构件原始有限元模型并通过模态试验验证模型的有效性,通过分析机匣子结构各阶模态保留主振型,选择模态能量较大处为缩聚点,得到自由度数目大幅减少的缩聚模型,对比验证缩聚前后模态的一致性,并提出一种基于数列相关系数定义的缩聚误差衡量方法,最后利用界面位移协调条件进行子结构耦合,对比整体模型的固有特性以及计算效率。研究结果表明:缩聚矩阵与有限元原始矩阵动力学特性十分接近,固有频率与振型误差均小于4%,且计算时间更短,存储空间占用更少,极大地提高了计算效率。      

一种涡轮叶尖间隙控制技术

基于涡轮叶尖间隙的变化机理,设计了一种冷气自动调节机构,该机构无需其他外界动力,可根据工况的变化而自动调节冷气限流嘴的节流面积,控制涡轮外环冷气量,以控制涡轮外环的直径,从而有效控制涡轮叶尖间隙的变化趋势,维持涡轮叶尖间隙在合理范围.对3个不同工况涡轮采用与未采用涡轮叶尖间隙控制机构分别进行了计算,结果表明:采用涡轮叶尖间隙控制机构的涡轮叶尖间隙随工况变化的变化率为6.5%,未采用涡轮叶尖间隙控制机构的涡轮叶尖间隙随工况变化的变化率为20%.因此,采用该机构可以达到控制涡轮叶尖间隙变化的目的.      

缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性的改善

以NASA Rotor 67为研究对象,采用非定常数值模拟方法,开展缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性改善的研究,并且揭示缝轴向偏转角的变化对其扩稳能力和扩稳机理的影响。结果表明,不同轴向偏转角的缝均提高了压气机的稳定裕度,但是均降低了压气机的峰值效率。反叶片角向缝获得的稳定裕度改进量和峰值效率改进量分别约为24.22%和-1.19%。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,缝的扩稳能力逐渐减弱,缝带来的峰值效率损失亦逐渐减少。流场分析表明,实壁机匣时,压气机的失速类型为叶顶堵塞形式的突尖型失速。通过感受叶片通道和叶顶吸/压力面的压差,反叶片角向缝对泄漏流进行抽吸和射流作用,一方面消除了泄漏流及其泄漏涡扩散带来的负面影响,另一方面激励了泄漏流,提高了泄漏流的速度,降低了泄漏流的总压损失,增强了叶片的做功能力。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,由于缝能够利用的叶顶载荷从两个减成一个,缝的抽吸和射流作用均减弱,泄漏流的速度降低,泄漏流的总压损失提高,叶片的做功能力减弱,这就导致缝的扩稳能力减弱。     

凹槽导叶式处理机匣轴向叠合量对风扇性能的影响

为探索凹槽导叶式处理机匣(RVCT)轴向叠合量对风扇性能的影响,选取升力风扇为对象,采用数值模拟方法对实壁机匣和4种不同轴向叠合量的凹槽导叶式处理机匣进行研究。结果表明:随着轴向叠合量的增大,带处理机匣风扇相比实壁机匣风扇裕度分别改进1.27%、8.01%、12.3%、32.4%,设计点效率分别下降了0.82%、1.38%、2.2%、4.1%;处理机匣的引入使得凹槽与主流通道间形成局部循环流动,减小了来流攻角和叶顶低能流体的堆积,平衡了叶顶吸、压力面压差,且轴向叠合量越大,局部循环越强烈,风扇稳定性提高;凹槽与风扇主流间的交互流动决定着处理机匣对风扇性能的影响,其中抽吸流和喷射流是反映处理机匣扩稳效果的两个重要参数。      

Characteristics and mechanisms of turboshaft engine axial compressor casing containment

To investigate the containment characteristics and mechanisms of axial compressor blade and casing in turboshaft engine, experimental and simulation research is conducted on Titanium alloy axial compressor blades and stainless steel simulator casings in this paper. Experiments for four thicknesses (from 0.8 mm to 1.4 mm) of casings are presented on high-speed spin tester. Perforation, ricochet with and without failure of the casings are obtained in test results. Three obvious bulges or dishing region are observed, petaling failure occurs in the first bulge or the third deformation region. Parabolic and elongated dimples are observed at the fracture surface. Finite Element (FE) models with calibrated Johnson-Cook material behavior law are built and analyzed by using explicit dynamic software for a better understanding on the containment behavior. Good agreement is obtained between the experimental observations and numerical predictions. The evolution of the impact force, energy absorption, temperature increase and the cracks’ propagation are analyzed. Three force peaks occur in the impact process. Energy analysis reveals that penetration condition of ricochet with failure leads to most internal energy of the casing.     

带周向单槽的低速轴流压气机失速起始过程

为了深入认识周向槽轴向位置对压气机失速机制的影响规律,针对某叶尖敏感的低速单转子压气机开展实验测量与数值模拟相结合的研究。实验与计算结果均表明,位于叶片弦长中部的周向单槽扩稳效果最好,而位于叶片前缘下游20%~30%轴向弦长位置的周向单槽扩稳效果最差。进一步分析了利用非定常、多通道计算模型获得的数值结果,发现对于光壁机匣和扩稳效果最好的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下到达叶片前缘位置,压气机通过突尖型失速先兆进入失速状态;对于扩稳效果最差的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下仍位于叶片通道内部距离叶片前缘20%的轴向弦长位置,压气机经历了由准模态型失速先兆向突尖型失速先兆转换的失速起始过程。