涡轮发动机用陶瓷基复合材料涡轮转子研究进展（两机专刊）

高性能飞行器对涡轮发动机性能需求不断提升,对涡轮转子的耐温性和轻质化提出了苛刻要求。而目前高温合金涡轮转子性能逼近材料极限,难以满足未来涡轮发动机大幅减重提温的需求,先进陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮转子成为必然趋势。本文介绍了涡轮转子用CMCs复合材料的设计、制备、加工、检测,以及各国在CMCs涡轮转子研制方面的进展,研究表明CMCs涡轮转子在液体火箭发动机、先进航空发动机领域具有巨大优势和应用潜力。当前连续纤维增强CMCs复合材料涡轮转子的耐温性能、抗冲击性能已初步得到验证,而材料强度和韧性不足是制约CMCs在航空发动机涡轮转子上应用的主要因素,发展高强度、高韧性涡轮转子用CMCs材料成为当前研究热点和未来必然趋势。     

基于正交试验法的刷式封严泄漏特性数值研究

为了研究刷式封严的泄漏特性,针对刷环外径Do,刷环内径Di,刷丝直径d,刷丝排列角度β,刷束厚度B,后挡板保护高度HF以及上下游压差Δp,环境温度T和转子转速N等9个影响刷式封严泄漏特性的主要参数,依据正交试验原理设计了32个封严结构模型,对零间隙配合时各参数对泄漏特性的影响进行了数值研究。研究结果表明:在给定的参数范围内,上述参数对刷式封严泄漏量的影响程度有明显区别,其影响程度由主到次的顺序为:Δp→Di→Do→B→d→HF→β→T→N。根据以上正交试验结果可以推断泄漏量最小的刷式封严结构,并用数值计算证明了其泄漏量最小。     

离心叶轮高速旋转叶片振动测量与特性分析

为了解离心叶轮高速旋转叶片的振动特性,对其进行振动应力测量与叶尖振幅测量,并将两种方法的测量结果进行对比分析。在介绍振动应力测量与叶尖振幅测量基本原理及数据处理方法的基础上,对离心叶轮高速旋转叶片进行了振动测量与分析。分析结果表明,两种方法均能有效识别叶片的5个共振转速区以及相应的激励源(转速的4,8和17倍频)。振动应力测量与叶尖振幅测量识别的叶片最大共振转速差异为0.56%,识别的叶片最大共振频率差异为1.78%。以振动应力测量结果为参考,验证了叶尖振幅测量结果的准确性和有效性。     

超声速进气道反压引起的不起动/起动现象研究

为了探索节流反压变化对进气道起动性能的影响,在来流马赫数为2.0的情况下,采用定常/非定常数值仿真方法对出口可移动壁面运动速率为12,24,36mm/s的进气道进行了研究,分析了不同可移动壁面运动速率引起的堵塞度变化对进气道流场特性及气动性能的影响。结果表明:采用非定常数值仿真获得的进气道性能参数和流场特性变化规律与定常数值仿真时一致,定常/非定常数值仿真时的进气道性能参数均存在"迟滞回路"现象;进气道出口堵塞度变化速率越大,"迟滞回路"现象越明显;堵塞度变化速率越大,进气道进入不起动状态时的堵塞度越高,进气道再次进入起动状态时的堵塞度越低。     

1 种民用涡轴发动机吸冰适航符合性试验方法

为了验证涡轴发动机对《航空发动机适航规定》CCAR-33R2条款要求的适用性,根据飞行实践中形成的不同冰型,选定明 冰作为被吸物。设计带有分离层的冰模来降低冰分离的难度,并提高冰的质量;反复测量制冰温降曲线,利用其特点制作出符合要 求的试验用冰。设计投冰系统并根据调试情况进行优化设计,确保其满足试验符合性要求。结果表明：在试验过程中参数正常,发动 机未出现熄火、喘振及发生不可接受的损伤;验证了某发动机满足适航符合性要求。     

大直径小环腔燃烧室点火性能实验研究

为研究大直径小环腔燃烧室常温常压下的贫油点火性能,开展了燃烧室在不同进口马赫数（0.035～0.075）,点火电嘴插入深度（-0.3～2.2mm）,喷嘴间距比n=1.65和3.3下的点火实验研究,获得了进口马赫数、点火电嘴插入深度和喷嘴间距比等对贫油点火性能的影响规律。试验结果表明：在n=1.65时,随着进口马赫数的增大,燃烧室的贫油点火油气比快速下降,贫油点火边界拓宽,而点火电嘴的插入深度对燃烧室的贫油点火性能影响很小;在进口马赫数小于0.07时,n=3.3方案的贫油点火性能显著优于1.65方案;在相同进口马赫数下,着火时间及联焰时间随着油气比的增大而缩短;燃烧室的贫油点火边界受两个因数限制,燃油雾化颗粒度SMD不大于76μm和油气比不小于0.015。大直径小环腔燃烧室的喷嘴间距比设计能够远远突破常规燃烧室的设计值范围,达到3.3。     

基于内窥式PIV的回流燃烧室冷态内流场测量

为了突破传统测量光路限制,实现对航空发动机三头部全尺寸回流燃烧室模型试验件内部冷态流场精细化测量,自主搭建了一套内窥式PIV测量系统,在自模区工况下对其内部冷态流场进行了测量调试。结果表明,在壁面之上预设内窥小孔即可实现测量光路布置,采用大焦距光学适配接口能够很好的解决相机内窥镜成像圈较小的技术难题。通过缩短相机内窥镜工作距离和采取多种消光措施大幅提高了测量空间分辨率和信噪比,最终实现了模型燃烧室内部冷态流场精细化测量,获得了内部流场结构信息。     

文氏管出口张角对旋流杯流动不稳定性的影响

为探究旋流杯内流动不稳定现象,针对带不同出口张角文氏管的旋流杯冷态流场进行了大涡模拟,并结合PIV试验结果进行了验证。研究结果表明,文氏管出口张角对时均流场的影响主要在旋流杯内部区域,对下游恢复区域基本无影响;旋流杯瞬态流场中存在旋进涡核（PVC）和小涡旋结构,出口张角对PVC的运动频率和形态基本无影响,对小涡旋结构影响较大,相同Q值下,56°张角旋流杯方案的小涡旋结构更丰富;经本征正交分解方法（POD）分析,旋流杯的强脉动结构为PVC和小涡旋结构。56°张角旋流杯方案的小涡旋结构能量更强,脉动幅度较大,能更好地对燃油进行剪切破碎,有利于强化雾化效果。     

扇形与平面叶栅内高负荷叶片的换热特性实验研究

为了探究扇形与平面叶栅条件下,高负荷叶片的外换热特性,采用瞬态液晶测量技术,测量了雷诺数(Re)、湍流强度(Tu)对扇形叶栅(曲端壁)的小展弦比高负荷涡轮叶片表面努塞尔数(Nu)的影响,并与平面叶栅(直端壁)进行了对比。结果表明,曲端壁相较于直端壁增加了21.5°的径向进气角以及上下端壁曲率不同,从而导致换热沿叶高的不对称分布。雷诺数增大,叶片各位置的换热明显增强,吸力面边界层转捩点位置不断向前缘靠近,雷诺数对直端壁的影响大于曲端壁。随湍流强度增大,努塞尔数整体有所升高,吸力面转捩点位置前移,压力面过渡现象明显增强,中弦部分努塞尔数一维特性更为明显,湍流强度对两类端壁的叶片影响类似。在研究低雷诺数或湍流强度对高负荷叶片的换热影响时,可采用直端壁进行简化,而在高雷诺数时,为了保证结果准确性,需在发动机实际扇形叶栅中进行实验。