涡轮基组合循环发动机分布式控制系统通信网络混合拓扑结构优化方法

涡轮机组合循环(Turbine based combined cycle,TBCC)发动机控制系统通信网络拓扑结构是其分布式控制系统方案设计的重要部分,优化网络拓扑结构可提高发动机推重比和控制系统可靠性。本文基于智能优化算法提出TBCC分布式控制系统网络拓扑结构优化方法。基于图论建立TBCC几何模型和网格模型,以重量和可靠性为优化性能指标,同时考虑发动机表面高温区域以及控制节点的工作可靠性,分别采用粒子群算法和遗传算法优化星形结构中智能中央节点位置、中央节点的环形拓扑结构,获得星形-环形混合拓扑结构。仿真实例表明,基于本文方法优化所得的混合拓扑结构相较于星形集中式控制结构,系统重量降低了51.9%。     

叶轮机平面叶栅的气动设计及统流计算

通过全速势方程的数值积分，利用ＡＦ２格式，给出了一种用于叶轮机中叶栅型面的气动设计和绕流计算的便捷方法，对于稳态亚音速、跨音速及超音速流动均适用。与目前普及很广的、在超音区应用人工压缩性的方案相比，该算法有明显的优势。     

对转叶轮机技术挑战分析

为获得关于对转叶轮机共性问题的认识,在回顾对转叶轮机发展之后,采用速度三角形方法分析了“对转”造成的气流预旋范围和变工况运行方面的技术挑战。分析表明:除带来更严峻的噪音、振动及高周疲劳问题外,对转叶轮机还将面临气流预旋范围受限、变工况运行更加复杂两个挑战。使用对转叶轮机方案前提条件是对转导致的气流预旋范围能满足总体循环提出的要求;对转叶轮机设计时尽量选取低转速比、低流量系数;对大转速比、高流量系数对转叶轮机,应尽量使前排出口相对气流角β1<40°~50°,否则,对于对转风扇/压气机就只有改变下游叶片安装角;有时需要采用可调叶片以应对对转风扇/压气机变转速变工况问题。研究结果将直接用于判断对转叶轮机适用性及确定对转叶轮机基本设计参数选取原则和范围。     

不对称转子临界转速的计算方法

考虑某膨胀涡轮子具有不对称支承刚性及不对称阻尼等特点，针对转子具体结构形式进行适当简化得到计算模型；采用考虑刚性，阻尼，集中质量耦合的传递矩阵与匀质轴克雷洛夫函数精确解的传递矩阵，同时考虑轮盘不平衡偏心引起的强迫激振，x-y两个方向的振动耦合，计算该转子的临界转速与振型，并分析计算结果；用简单算例对程序进行验证，将简单盘的程序计算结果与试验结果进行比较。     

叶轮机平面叶栅的气动设计及绕流计算

通过全速势方程的数值积分，利用ＡＦ２格式，给出了一种用于叶轮机中叶栅型面的气动设计和绕流计算的便捷，对于稳态亚音速，跨音速及超音速流动均适用。与目前普及很广的。在超音区应用人工压缩性的方案相比，该算法有明显的优势。     

透平机械动密封动力特性数值方法研究

密封动力特性系数是评价透平机械转子稳定性的重要参数。对现有密封动力特性数值方法进行了综述,为了比较分析不同的密封动力特性数值方法,分别建立了基于控制体方法的双控体求解模型和基于CFD方法的稳态旋转坐标系与瞬态转子平动、转子单/多频椭圆涡动求解模型,综合比较分析了控制体法、CFD稳态旋转坐标系法和CFD瞬态平动法、单/多频法之间的差异以及适用范围,研究了转子涡动频率对密封气流力和动力特性系数的影响。研究结果表明:控制体法求解速度较快,但求解精度较低,稳态旋转坐标系法只适用于转子做小轨迹同心涡动的求解模型,瞬态平动法求解速度较慢;瞬态单/多频法考虑了转子的涡动频率,更符合密封的实际工作情况;应用瞬态单/多频法得到的密封气流力变化频率与转子涡动频率相同,但气流力的相位滞后于转子涡动位移的相位;密封的直接刚度系数随着转子涡动频率的增加而增大,交叉刚度系数和阻尼系数的绝对值随着转子涡动频率的增加而减小。     

进口导流叶片对转子叶片颤振特性的影响

上游静子叶片的尾迹扰动是下游转子叶片发生强迫响应问题的主要原因,但通常认为不会对颤振特性产生影响。运用CFD技术求解非定常流场,用能量法对典型涡轮风扇NASA Rotor 67进行了气动弹性分析。结果表明:不加进口导流叶片时其叶片最有可能在第二阶模态、60°叶间振动相角的情况下发生颤振;加上IGV(进口导流叶片)后,IGV的尾迹会显著改变转子叶片的颤振特性,当转子叶片的最危险颤振模态频率接近IGV尾迹的扰动频率时,即使单独转子叶片十分稳定,但在尾迹的激励下颤振仍然可能发生;当该频率远离IGV尾迹扰动频率时,尾迹扰动同样会使转子叶片气动阻尼降低。该结果意味着尽管IGV的引入不会明显改变压气机性能,但有可能会对其颤振特性带来明显的负面影响,需要在涡轮机设计中予以考虑。     

基于实验设计和响应面模型的风扇转子气动优化设计

针对跨声速风扇动叶中掠、弯结合叶片基于控制点的B样条曲线对积叠线进行参数化,以掠、弯为设计自由度,应用实验设计、三维粘性流场求解、响应面模型及遗传算法对Rotor 67以近尖峰效率工况点为设计点对风扇转子进行了气动优化设计,得到了前掠与弯向旋转方向的复合设计叶片,其总压比有较明显提高。但由于优化是在单一工况点下进行的,其变工况性能不佳。     

涡轮机匣热辐射-对流耦合换热特性数值计算与实验测试

开展了整环机匣的热辐射-对流耦合计算,获得了综合传热系数拟合关系式,并进行了实验测试验证。研究发现：封闭腔内,热辐射的存在大幅强化了壁面换热,辐射热流占总换热量比值可达90%以上。在3层机匣结构中,当发射率在0.3~0.8变化时,机匣沿径向方向上的温度梯度减小,主流区域的对流换热得到加强,半封闭区域对流强度降低。发射率为0.8时,外机匣流体侧壁面的辐射热流占总换热量的33.3%。     

航空发动机涡轮机匣轮盘包容性研究

为研究某航空发动机辅助动力装置涡轮盘在预定转速范围内破裂后涡轮机匣的包容能力,在高速旋转试验器上进行了涡轮机匣的包容性试验.试验采用轮盘周向3个对称位置预制裂纹的方式,使轮盘在预定转速范围内破裂成均匀3块,得到了轮盘碎块撞击涡轮机匣的高速摄影照片.试验结果表明轮盘碎块击穿机匣撞击包容环,包容环发生大塑性变形,包住轮盘碎块.采用LS-DYNA软件对涡轮机匣包容性进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合良好,研究结果对航空发动机轮盘包容性设计有一定的参考价值.