Numerical analysis for impacts of nozzle end-clearances on aerodynamic performance and forced response in a VNT turbine

It has been well known that nozzle end-clearances in a Variable Nozzle Turbine (VNT) are unfavorable for aerodynamic performance, especially at small openings, and efforts to further decrease size of the clearances are very hard due to thermal expansion. In this paper, both the different sizes of nozzle end-clearances and the various ratios of their distribution at the hub and shroud sides were modelled and investigated by performing 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element Analysis (FEA) simulations with a code of transferring the aerodynamic pressure from the CFD results to the FEA calculations. It was found that increasing the size of the nozzle end-clearances divided equally at the hub and shroud sides deteriorates turbine efficiency and turbine wheel reliability, yet increases turbine flow capacity. And, when the total nozzle end-clearances remain the same, varying nozzle end-clearances’ distribution at the hub and shroud sides not only shifts operation point of a VNT turbine, but also affects the turbine wheel vibration stress. Compared with nozzle hub clearance, the shroud clearance is more sensitive to both aerodynamic performance and reliability of a VNT turbine. Consequently, a possibility is put forward to improve VNT turbine efficiency meanwhile decrease vibration stress by optimizing nozzle end-clearances’ distribution.     

地面效应对火箭橇发动机尾喷管流场特性的影响研究

摘要：基于火箭撬地面试验的需要，设计了大载荷高加速的短轨火箭橇动力系统，并对地面效应对火箭发动机尾喷管流场的影响进行了理论和试验研究。文中采用FLUENT计算软件对不同条件下的火箭发动机尾喷管外流场进行了三维数值仿真，分析了单枚火箭以及双枚火箭工作时，地面效应对发动机尾喷管流场特性的影响。针对本文研究的大载荷高加速的短轨火箭撬动力系统，地面效应的影响和双尾喷管之间的相互作用都是在1.5ms时开始显现，在2ms~3ms时比较明显，在5ms~20ms开始减小，最后形成稳定的尾部流场。对于喷管出口直径275mm、轴线距离地面不小于472mm和双喷管轴线距离不小于680mm的火箭橇动力系统，在火箭橇运动起来20ms之后，地面效应影响和双火箭发动机之间相互作用变得非常小。     

基于双向流固耦合方法的柔性变结构喷管性能分析

为研究柔性变结构喷管的高度补偿潜力,本项研究利用ANSYS平台,基于双向流固耦合方法,对柔性变结构锥型喷管进行数值模拟,分析了飞行高度和柔性材料的弹性模量对喷管性能的影响。模拟结果表明,随着飞行高度的升高,柔性喷管变形加剧,喷管内部流场呈现出膨胀波-激波-膨胀波的波系特征,喷管柔性段的最大型面变形量和壁面最大应力逐渐增大。当材料弹性模量大于100 MPa时,喷管柔性段型面变形对流场的影响将可以忽略。研究显示,该柔性喷管的低空比冲显著高于传统喷管,高空比冲仅略低于传统喷管,其6 km设计高度下较传统喷管有1.462%的高度积分比冲增益。     

低温微量润滑技术喷嘴方位正交试验研究

低温微量润滑切削技术作为一种理想的绿色冷却润滑方式,已经成为机械加工领域研究的热点之一.选择外部微量润滑与低温冷风的集成作为低温微量润滑系统的实现方式,给出了确定系统喷嘴方位的3个参数:喷射方向与进给方向夹角β、喷嘴仰角α和喷嘴距切削区的距离d,并分别构建了其几何模型.针对β角,给出了最优β角与切宽半径比(B/R)的曲线.通过正交试验研究了喷嘴方位的3个参数(β、α、d)对低温微量润滑切削性能影响的重要程度.结果表明,距离d对切削性能的影响最大;其次是β角;α角的影响最小,可根据实际工况选择α在30°～60°即可.     

基于磁力研磨法对微型槽的精密研磨研究

微型喷嘴旋流槽棱边去毛刺及槽底面光整用传统加工方法难以实现,利用磁力研磨法能够很好实现旋流槽棱边去毛刺及槽底面的光整加工.文中分析了磁力研磨法对棱边去毛刺及槽底面光整的加工机理,并进行了有限元理论分析和试验验证,利用3D超景深电子显微镜观察并记录喷嘴旋流槽加工前后照片,验证结果表明,永磁研磨机可以很好地实现对微型喷嘴旋流槽棱边去毛刺及槽底面光整研磨.     

液体火箭发动机喷管收扩段的数控加工工艺研究

液体火箭发动机中，喷管收扩段是一个关键零件，数控加工工艺方法和程序编制方法非常复杂，国内外均在该方面有所研究。本文简述了喷管收扩段的数控加工工艺和程序编制方法以及在程序编制过程中建立的数学模型，并在通用的数控铣加工中心上实现了该零件的数控加工。     

固体火箭发动机喉衬材料

介绍和综合了固体火发动机机喉衬用主要材料，包括难熔金属，石墨等，并比较了其优缺点及适用范围，给出了这些材料的热震与烧蚀性能的一些研究进展。     

喷喉烧蚀损失计算

分析了喷喉烧蚀计算的各种方法,并用实例比较了各种计算方法的优劣。理论分析和计算结果表明,用平均膨胀比与初始膨胀比计算出的理论真空比冲之比,或在平均膨胀比与初始膨胀比下按一维两相平衡流计算出的真空比冲之比来计算喷喉烧蚀效率较好。     

喷管内流场并行计算方法研究

建立了基于区域分解的并行计算方法,将已有的后台阶喷管内流场三维ＴＶＤＭａｃ－Ｃｏｒｍａｃｋ显式格式的串行计算程序改造成为并行程序,获得了较高的并行加速比。并行计算结果同串行结果进行了对比,证明计算是成功的。     

姿控发动机喷管内流场及推力计算研究

运用时间相关法数值求解定常Ｎ－Ｓ方程和采用有限体积方法离散控制方程,对姿控发动机喷管内流场及其产生的推力进行了计算,得到了较为精细的流场图象。计算结果表明,不同壁面温度条件可以显著改变喷管壁面附近的流场结构及其产生的推力。