对转压气机外伸激波对叶顶泄漏流影响

摘要:为了揭示对转压气机下游转子外伸激波对上游转子泄漏流的影响规律,针对上游转子叶顶间隙分别为0.2、0.5、0.8 mm的对转压气机开展了非定常数值模拟研究。研究发现:受下游转子外伸激波掠扫影响,上游转子尾缘附近压力面会形成弱压缩波,且随上游转子泄漏流增强而逐渐减弱;而该外伸激波在上游转子尾缘附近吸力面,会形成与型线切向相垂直的较强压缩波,且其位置基本不受叶顶间隙大小影响;外伸激波使上游转子尾缘附近吸、压力面压差增大,叶顶泄漏流增强,进而导致其损失增大;随着叶顶间隙增大,上游转子叶尖区弦长前半段压力波动的频率,由通道激波转为叶顶泄漏流主导,且呈现减小的趋势,而弦长后半段压力波动的频率主要由外伸激波主导,且基本不变。      

某航天器输氢管道系统结构完整性评估

为保障某航天器在服役年限内不发生事故，针对航天器上采用插入焊接技术的精密管道系统进行结构完整性评估。在考虑到系统存在整圈的环形未焊透缺陷基础上，结合工程实践，假设在焊接区域存在更危险的平面缺陷。首先，开展高压气相热充氢试验下的标准拉伸和三点弯试验得到管道系统材料"J-75"在临氢环境下应力应变曲线和断裂韧性。其次，采用有限元程序计算系统在内压、惯性载荷与离面位移作用下的应力分布，考虑到间隙配合中的不确定性，改变模型中的最大间隙多次模拟计算，发现最大应力位置基本不变，以此区域作为假想缺陷的具体萌生区域。最后，采用失效评估图（FAD）方法对存在4种缺陷模式的系统分别进行结构完整性评估。通过引入安全裕度的概念，发现系统在含有初始尺寸（0.15 mm）的4种平面缺陷时，均处于安全状态，并且安全裕度都在2倍以上；通过工程临界分析（ECA）发现随着缺陷尺寸的增大，系统中含有缺陷2（位于管道焊接区域最大应力处的轴对称平面且沿焊深方向扩展的缺陷）时最为危险，且当缺陷深度超过0.61 mm时将断裂失效；考虑到测试数据的弥散性，针对系统最危险的模式，以安全裕度为可靠性指标，将失效评估图方法与可靠性评价相结合，得到系统在含有尺寸为0.15 mm的缺陷2情况下保有足够安全裕度的可靠性下限值超过0.999 5。     

扩压叶栅叶尖非定常流动的涡动力学机理

为了揭示压气机叶尖区旋涡结构与流动非定常性之间的关联，采用URANS对一亚声速平面扩压叶栅在不同攻角下的流场进行了求解，并借助Q判据提取了叶尖瞬态涡系结构。结果表明：泄漏涡的破碎现象能够通过诱导新的涡结构间接作用于相邻通道的叶尖流动，是导致叶尖流场失稳的关键因素。在-0.3°和+0.7°攻角下，叶尖泄漏涡发生了螺旋破碎，并伴随有非定常诱导涡的出现，诱导涡对相邻叶片载荷的影响使得叶尖泄漏涡发生周期性摆动；在+1.7°攻角下，泄漏涡破碎会导致反流涡的形成，反流涡的输运会给叶片载荷和来流攻角带来非定常扰动，反过来又会作用于泄漏涡的破碎和反流涡的生成，最终表现为一种自维持的非定常流动现象。     

基于叶端定时的转子叶片动应变重构不确定性量化

基于叶片非接触式动应变重构理论,开展动应变重构不确定性量化方法研究。基于方差合成定理建立重构叶片动应变不确定性量化分析模型;以模拟转子叶片为研究对象,开展旋转叶片叶端定时试验,利用周向傅里叶算法获取不同叶端定时传感器布局下的测点振幅,通过最大熵方法拟合振幅分布概率密度函数,确定叶端定时测振的不确定性参数;结合Kriging代理模型和试验共振频率数据对叶片有限元模型进行修正,获取关键测点位移-应变转换因子,并获取考虑共振转速以及测点位置不确定性的转换因子不确定性参数;获取重构动应变的均值、标准不确定度和包含区间,与应变片测量数据作对比。结果表明,除5号叶片A测点外,测量动应变均位于重构动应变的95%置信度下的包含区间内,且所有叶片的应变片测点动应变重构误差不超过15%。     

考虑磨损后含间隙指向机构运动特性

为了提高空间指向机构磨损寿命的预测精度,克服传统静态磨损寿命预测的缺陷,计及间隙、摩擦磨损耦合因素,以实现机构关节动态磨损的精确预测,并对综合考虑间隙、摩擦磨损等因素的空间二维指向机构动力学问题和磨损问题进行了研究。采用牛顿 欧拉法,将间隙变量嵌入动力学模型,构建含间隙二维指向机构的动力学模型。基于Archards磨损模型,找到运动副接触面不同位置处的磨损深度,重构运动副表面形貌,并对磨损前后含间隙指向机构的动态特性进行分析,得到了关节处接触碰撞力和切向摩擦力的变化规律;采用动态拟合变量法和离散处理法分别对含间隙运动副内部间隙与接触力间、运行时间与相对滑移速度间的对应关系进行拟合,并建立了动态磨损数学模型;进一步预测了二维指向机构在跟踪模式、调姿模式下的运行时间分别为1259192h、76444h。研究工作为二维指向机构的本体设计、制造与应用奠定基础。     

刮削作用对涡轮转子机匣通道涡形成的影响

采用数值方法求解耦合剪切应力输运(SST)湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了不同间隙尺寸下GE-E3高压涡轮第一级转子内刮削作用对机匣通道涡形成和发展的影响。通过与轮毂通道涡结构的对比,发现机匣通道涡层次结构与经典二次流理论存在明显的差异,并对该差异形成的原因进行了深入探索。结果表明:叶顶对机匣边界层的刮削作用在机匣通道涡的形成过程中占主导作用,刮削作用使得流向叶片吸力面的来流机匣边界层在交汇点区域从内层向外层卷起,形成层次结构相反的机匣通道涡;叶顶浸入比值是影响转子机匣通道涡形成的重要参数,随着比值的增大,机匣通道涡损失先增大后减小;只有在间隙尺寸较大情况下,叶尖间隙的"抽吸作用"才能抑制机匣通道涡的发展。     

锥形间隙孔型阻尼密封动力特性分析及抑振机理

应用非定常动网格技术建立了锥形间隙孔型阻尼密封动力特性多频椭圆涡动求解模型,研究了锥形度和涡动频率对孔型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了锥形间隙孔型阻尼密封的抑振机理。结果表明:锥形间隙增强了孔型阻尼密封的泄漏直通效应,增加了密封泄漏量。在平均间隙相等的情况下,收敛间隙孔型阻尼密封泄漏量小于发散间隙孔型阻尼密封;在同一涡动频率下,刚度系数随着锥形度的增加而增大,阻尼系数随着锥形度的增加而减小;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的正直接刚度,增加了转子系统的固有频率,发散间隙孔型阻尼密封产生较大的负直接刚度;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的有效刚度和穿越频率,较小的有效阻尼,发散间隙孔型阻尼密封具有较大的有效阻尼,较小的有效刚度和穿越频率;在锥形间隙孔型阻尼密封结构设计时,需要同时考虑转子系统固有频率和同心度的影响。      

叶顶间隙对人工心脏泵血液相容性影响的数值研究

采用定常和非定常数值方法系统研究了离心血泵在供压173 mmHg时,4组不同叶顶间隙下的血流动力学特性和血液相容性。所研究的间隙分别为5.0、2.0、1.0 mm和0.2 mm,对速度、湍动能等参数的分布规律以及标准溶血指数(normalized index of hemolysis,NIH)随叶顶间隙大小的变化规律进行了研究。结果表明:在流量3.0 L/min,供压173 mmHg工况下,原型血泵有较好的血液相容性;随着叶顶间隙的减小,最大切应力与标准溶血指数呈显著单峰变化趋势,在1.0 mm间隙结构取得最低标准溶血指数0.000 5 g/100 L,并降低了在叶轮侧壁与泵壳下壁面的狭缝内形成血栓的风险;定常与非定常的结果对比表明:定常结果往往会过小的预测溶血,瞬态标准溶血指数随叶轮转动呈周期性变化,其平均值与定常结果相差在5%以内。      

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。