基于数字图像相关方法微裂纹萌生试验研究

为了进一步研究疲劳裂纹在萌生阶段的特点,本文结合数字图像相关方法 (Digital Image Correlation Method,DIC)设计并组建了配合液压疲劳试验机加载的原位观测系统。同时针对DIC测量方法中的关键技术进行研究,分别提出了一种可应用于视场宽度2mm下DIC计算的微小散斑制备方法,以及空间调节方法以提高试验可靠性。最后应用该系统开展针对航空发动机火焰筒材料GH536的微裂纹自然萌生试验。通过采取两种不同的DIC分析策略,分别获得疲劳过程中的总应变幅以及最大累积塑性应变的演化规律。结果表明总应变幅演化可确定自然萌生裂纹位置,最小可识别50μm裂纹;最大累积塑性应变分析可得萌生寿命占比约85%,并在裂纹出现后塑性应变急剧增加。     

基于差分进化算法的涡喷发动机增推研究

根据已建立的小型单轴涡喷发动机部件级稳态模型,采用单变量法,分析各部件特性参数变化对发动机推力、耗油率等性能参数的影响。通过差分进化算法对各变化参数进行优化,找出在满足给定限制条件下使性能达到最优的参数调整组合。由于给定的限制条件以及优化目标可以灵活多变,使得该方法在增推优化以及其它改型方面具有很好的灵活性。计算结果表明,在转速不变,涡轮前总温不超过允许值,压气机喘振裕度不降低,耗油率不升高的条件下改进压气机的压比、换算流量、以及效率等参数,能使发动机推力增加25%以上。     

跨声速压气机不同转速下失稳形式的实验研究

为了研究压气机在不同工作转速下失稳形式的不同,进而研究不同失稳先兆的发生机理,针对一台跨声速压气机在不同转速下的失稳过程进行了实验研究。分别在转子叶尖机匣、静子出口布置了高频响动态压力探针对压气机失稳过程进行实时监测和实验数据采集,采用FFT(Fast Fourier Transform)、WFT(Window Fourier Transform)、滤波等数据处理方法对实验数据进行频域和时域分析,得到了压气机在不同转速下流动失稳的变化规律。实验结果表明:随着工作转速的升高,该压气机的失稳过程也会发生改变,在低转速(亚声速)下表现为经典Spike引起的旋转失速,如65%设计转速;而在高转速(跨声速)下则表现为一种新型的失稳过程,由一种发生在近轮毂区域的低频、轴对称、大幅值的扰动诱导了失稳,如88%设计转速。这种失稳先兆被称为局部喘振。两种失稳模态之间的相互转换存在一个临界转速(约为78%设计转速),在临界转速下,局部喘振几乎与旋转失速同时发生。     

涡桨发动机动力涡轮设计研究

针对采用常规涡轮设计方法设计多恒定转速涡轮时,存在的难以兼顾不同状态点性能以及设计周期较长等问题,运用动力涡轮多设计点耦合设计方法进行研究。为了验证该方法是否有效,建立了涡轮模型并进行了3维数值模拟,在设计初始时确定了各设计点的性能。结果表明:该方法可以初步计算不同状态点下的速度三角形;在叶片造型时可以根据不同状态下的速度三角形进行优化选取进口几何构造角,使涡轮在不同状态下来流条件较好;多设计点耦合设计得到的涡轮在保证各状态下出口绝对气流角偏离轴向不大的同时各状态之间的效率均较高。     

尾缘厚度对涡轮叶栅性能影响的数值研究

采用数值模拟方法,分别通过改变亚声速和超声速叶型尾缘厚度,研究尾缘厚度变化对涡轮叶栅损失的影响,并在宽广工况范围内探讨尾缘厚度对涡轮叶栅性能影响的敏感性。结果表明:尾缘厚度对亚声速叶型的影响较小,涡轮叶栅损失随尾缘厚度的增大而增大;尾缘厚度对超声速叶型的影响较为明显,随着尾缘厚度的增大,尾缘附近的激波强度增强,叶栅通道中的损失明显增大。对于本文所研究的超声速叶型,尾缘厚度的影响在非设计攻角下不会被放大;但随着马赫数的变化,尾缘厚度的影响规律不同。     

叶根负荷对低速压气机失稳过程影响实验研究

基于在一台单级低速轴流压气机上发现的增大叶尖负荷可以使其失稳先兆由模态波变为突尖波的现象,一种假设认为失速先兆的类型与压气机径向负荷分布有着密切的联系。对此,设计了一系列实验来验证叶根负荷大小对压气机失速先兆类型及其失稳发展过程的影响。通过在压气机进口安装特殊设计的叶根畸变屏,可以实现压气机工作在不同的径向负荷分布。均匀来流条件下压气机最终的失速是由模态波引起,在此基础上加装叶根畸变屏增大叶根负荷,压气机仍发生模态波型失速,但经过仔细分析数据后发现,由线性增长的模态波转化为最终大幅值旋转失速团的时间间隔却相较增大。在这段过程中,转子进口壁面压力信号显示叶尖区域不存在完整的周向传播扰动。与此同时,叶根处先兆信号幅值相较变大。进一步加大叶根负荷,叶根区域失速先兆的压力脉动变得更加剧烈,使得气流沿叶片径向的流动和掺混加剧,从而进一步延迟了先兆诱发失速团出现的时间。综上,通过研究表明:增大叶根负荷,压气机失稳过程发生改变,失速先兆诱发旋转失速团出现的时间延长;在叶根区域,失速先兆脉动信号随着叶根负荷的增大而愈发强烈;径向负荷分布是影响压气机失稳过程发生变化的重要因素。     

涡轴发动机性能非确定性模型校核与应用

为了使涡轴发动机性能非确定性模型能够在工程中应用,利用均值法和发动机温度特性试验数据对其进行了校核,输出功率均方根误差为2.1%,耗油率为1%。基于此模型,对涡轴发动机循环参数选择和自由涡轮效率裕度进行了研究。结果显示,当考虑涡轮进口总温升高引起的涡轮冷气量变化及冷却气掺混引起的涡轮效率变化时,现有循环参数选择范围已不能满足发动机性能指标要求。根据控制燃气发生器的相对转速保持为设定值不变的控制方案,当自由涡轮效率裕度提高1.8%时,发动机输出功率和耗油率达标概率≥95%。     

转静干涉对跨声速压气机叶片静气动弹性的影响

为了研究转静干涉对叶片静气动弹性的影响,采用时域双向流固耦合方法对1.5级跨声速压气机转子叶片在气动力和离心力共同作用下的变形过程进行了数值模拟,分析了设计工况下叶片的变形特征及其对气动性能的影响。结果表明:叶片变形明显改变通道激波位置和强度,最大绝热效率时均值较冷态叶型提高0.45%,堵塞流量增加了0.7%,气动特性线向流量增大方向偏移。气动力和离心力主要影响转子叶片轴向和周向的变形分量,转子叶片与导叶轴向间距缩短加剧了上下游叶片非定常气动干涉,转子前缘表面非定常压力波动幅值增加12.3%,周向变形使得转子前缘进口叶型角增大,上半叶高表面静压分布明显改变。高性能压气机工程设计中应该考虑叶片静气动弹性变形对气动性能的影响。     

基于贝叶斯理论的低循环疲劳寿命模型不确定性量化

为量化低循环疲劳寿命模型中的不确定性因素,利用贝叶斯理论,采用经典的模型校准形式确立了寿命模型的不确定性量化形式,并结合正态性检验对误差项进行验证;应用马尔可夫链-蒙特卡罗(MCMC)算法获得了模型参数后验分布的抽样样本,在小子样试验数据条件下确定了低循环疲劳寿命的95%不确定性区间,较好地覆盖了寿命的分散性;对参数样本进行了相关性分析,并将异方差回归概率模型与贝叶斯概率模型进行了比较。最后,利用Morris全局灵敏度分析方法获得了Manson-Coffin模型参数的全局灵敏度指标;同时,验证了在模型参数对先验信息敏感,或者说在先验信息影响极大的情况下,采用无信息先验处理方法的合理性。     

低速模拟设计技术在大小叶片压气机中的应用

针对一个用于高压压气机出口级的高负荷大小叶片压气机进行了四级重复级试验台低速模拟设计研究,探讨了高负荷情况下重复级特征不明显的亚声速级压气机的低速模拟设计方法,以及考虑大叶片和小叶片气动耦合的低速模拟设计方法。研究过程中,通过调整静子叶片的稠度和弯角,采用静子叶片更大程度的几何不相似保证了模拟级转子的低速模拟设计达到高低速转换标准,并保证在不同工况下转静子的匹配关系不发生改变。此外,通过确保大叶片和小叶片叶表无量纲速度相似,并适当调整小叶片的安装角,成功模拟了高速环境下大/小叶片之间的气动耦合效应。三维数值验算结果表明,低速模拟设计得到的设计和非设计工况内部流场和压气机特性都与高速原型具有较好的相似性。