篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

基于剃齿啮合传动特性的剃齿刀优化设计

针对剃齿齿形“中凹”误差问题,构建了剃齿啮合分析模型,研究不同重合度对剃齿啮合传动特性的影响,以此提出一种剃齿刀优化设计方法。通过剃齿试验得出不同重合度的剃齿啮合传动特性对齿形“中凹”误差的影响规律,从而验证剃齿刀优化设计方法的正确性。结果表明 :适当的增大重合度能一定程度上减小剃齿啮合传动误差和瞬时传动比的曲线幅值,但继续增大会导致曲线局部振荡,使得传动更加不平稳,形成明显的齿形“中凹”误差;不同重合度的剃齿啮合状态引起的接触变形才是影响剃齿传动性能的主要因素;剃齿啮合传动性能越好,工件齿轮形状偏差及总偏差也越小;基于剃齿啮合传动特性的剃齿刀优化设计能有效地减小齿形“中凹”误差。      

基于确定接触迹线的点接触齿轮副构建及实验

提出一种点接触齿轮副,在已知齿面上根据设计需要确定接触迹线,推导其共轭曲线,将齿廓曲线沿共轭曲线扫掠后形成轮齿齿面,构建与已知齿轮正确啮合的配对齿轮,并推导该齿轮副的滑动系数计算方法;以渐开线内齿轮为已知齿轮,设计以抛物线齿面作为轮齿齿面的配对齿轮,进行齿轮样机制造和效率实验研究。结果表明,该齿轮副在啮合过程中时刻保持点接触状态,啮合点沿着理论接触迹线移动,与理论分析一致;滑动系数的大小取决于齿轮两端选取啮入点和啮出点所对应的渐开线参数值范围;实验后齿轮副实际接触迹线与理论接触迹线一致,且效率稳定在97.2%~98.5%。      

承载传动误差最小的高重合度弧齿锥齿轮波动齿面设计

为改善航空弧齿锥齿轮的承载啮合性能,结合ease-off技术提出一种波动齿面设计方法以降低高重合度弧齿锥齿轮的承载传动误差。鉴于中凹型修形曲线（修形齿面的几何传动误差曲线）可极大地减小高重合度弧齿锥齿轮传动的承载传动误差波动幅值,创建一种与高重合度相适应的波动齿面修形模型;结合ease-off技术建立以降低承载传动误差波动幅值为目标的优化模型;通过优化得到具有良好啮合性能的高重合度弧齿锥齿轮。分析发现:优化后2阶传动误差设计弧齿锥齿轮传动的承载传动误差波动幅值降低了34.152%,而由波动齿面设计方法所得改进修形弧齿锥齿轮的承载传动误差进一步降低了61.492%,有效地改善了高重合度弧齿锥齿轮传动性能,为高性能弧齿锥齿轮齿面设计奠定理论基础。      

基于三维模型的偏心鼓筒气动特性分析

为了获取篦齿封严鼓筒齿腔内的压力分布,掌握鼓筒气动特性情况,建立了带封严篦齿鼓筒的三维流场通道模型,计算转静子同心和不同偏心量条件下鼓筒表面静压,分析气动载荷作用下鼓筒的力学特性.仿真结果表明:偏心量的变化使表面静压出现复杂变化,周向静压幅值变动明显,最大偏心量下的静压幅值比无偏心时增长3倍;偏心引起的周向静压波动使鼓筒应力幅值最大浮动3%左右.      

齿位置对压气机级间封严影响的数值研究

通过对压气机级间封严不同齿位置时的流场和温度场进行数值模拟,获得其泄漏特性、旋流特性和风阻温升特性.研究单齿、双齿和三齿的相对位置对级间篦齿封严的流量系数、出口旋转比和风阻温升的影响.结果表明:单齿情况下,单齿在下游时的流量系数最小,出口旋转比和风阻温升最大.双齿情况下,上游和下游各一齿时的流量系数最小.三齿情况下,上、下游和中间各一齿时流量系数最小.出口旋转比和风阻温升都随流量系数的减小而增大.      

分段拓扑修形齿轮的成形磨削与试验

基于成形磨削的几何原理和机床运动学原理,提出了斜齿轮副的一种分段拓扑修形方法.通过改变齿顶和齿根处渐开线的发生线长度实现齿廓分段修形;给砂轮附加一个抛物线+直线的径向进给运动实现齿向分段修形.推导出基于成形磨削过程中拓扑修形齿面的计算公式,对修形齿面的边界进行了划分,建立成形磨齿机各伺服轴的运动方程.根据齿面的数值模拟结果,在五轴数控(CNC)成形磨齿机上进行磨削加工与在机拓扑测量,验证了成形法实现齿面拓扑修形的可行性. 对给定转速和负载工况下的齿轮箱进行加载试验,齿轮箱振动能量级幅值下降0.008dB,噪声减小约2dB.研究表明分段拓扑修形有利于降低齿轮传动振动和噪声.      

篦齿封严泄漏特性的实验

为了研究工程实际尺寸下篦齿封严泄漏特性,设计并搭建了篦齿封严实验台.在进出口压比为1.1~2.0的条件下,探究了节流间隙、齿数、齿腔深度和宽度等对篦齿封严泄漏量和密封腔内压力分布的影响.结果表明:泄漏系数随着压比和节流间隙的提高而增加,但压比达到1.6后,增加趋势逐渐变缓;增加齿数能显著提高篦齿的封严性能,但随着齿数变多,效果逐渐减弱;较浅和较宽的齿腔对于提高篦齿的封严性能更有利;进出口压比、节流间隙和齿腔深度对于篦齿腔内压力系数的分布几乎没有影响;篦齿腔内沿程压力不断降低,但在各齿腔内降低的程度逐渐减小;在篦齿封严中,越接近入口的齿腔对密封性能提高的贡献越大,对封严性能的优劣起着决定性作用.      

轮盘端面齿连接的周向拉杆转子刚度研究

针对轮盘端面齿连接的周向拉杆转子模型,理论分析得到转子各组成部分刚度计算方法.应用商业有限元软件ANSYS,基于三维有限元非线性接触算法计算预紧力下轮盘端面齿连接段的弯曲刚度和扭转刚度,得到刚度修正系数和刚度无量纲系数.分析周向拉杆刚度和轮盘刚度的关系,提出拉杆刚度比例系数.计算结果表明:刚度系数无量纲系数小于1时,刚度修正系数保持不变;刚度无量纲系数大于1时,此时预紧力不足,齿面发生滑移,刚度修正系数会突然降低,拉杆弯曲刚度比例系数会增加.刚度无量纲系数具有明确的物理意义,可为带端面齿的燃气轮机转子设计和故障诊断提供参考.      

基于解析解的人字齿轮齿廓修形动态分析

根据人字齿轮传动的结构,考虑时变啮合刚度、齿侧间隙,并把齿廓修形作为一种时变齿侧间隙计入,建立了单级人字齿轮传动的弯-扭-轴耦合动力学模型和相应的非线性动力学方程.对方程的数值解进行分析,发现合理的修形使人字齿轮传动不发生齿面的完全分离.基于多尺度法对不发生齿面完全分离时的人字齿轮传动系统进行了摄动分析,得到了系统在主共振频率附近幅频响应的近似解析解.相比数值方法,解析法具有很高的求解效率.最后,根据近似解析解研究了修形参数对动载系数幅值的影响.研究发现:螺旋角越大使动载系数最小所需的修形量越大,而所需的修形长度越小.另外,使动载系数最小的最优修形参数解域呈新月形,其随着主动轮支承刚度的增大而先增大后减小;随着被动轮支承刚度的增大而持续减小.