An equilibrium multi-objective optimum design for non-circular clearance hole of disk with discrete variables

An Equilibrium Multi-objective Optimization Model(EMOM) with self-regulated weighting factors has been proposed for the optimum design of non-circular clearance hole on the front flange of turbine disk. In the ‘‘equilibrium design", both the stress decrease around the hole and the least hole's profile variation are considered, which balances two ambivalent design goals. Specific discrete variables are applied to realize the standardization design in the optimization process, in which a Surrogate Genetic Coding Algorithm(SGCA) is introduced, and a special check module is used to get rid of repeated fitness evaluation of the samples. The method offers an equilibrium design for the non-circular clearance hole of the turbine disk with great accuracy and efficiency.     

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。     

A tip clearance prediction model for multistage rotors and stators in aero-engines

Tip clearances of multistage rotors and stators greatly affect aero-engines’ aerodynamic efficiency, stability and safety. The inevitable machining and assembly errors, as well as the complicated error propagation mechanism, cause overproof or non-uniform tip clearances. However, it is generally accepted that tip clearances are difficult to predict, even under assembly state. In this paper, a tip clearance prediction model is proposed based on measured error data. Some 3D error propagation sub-models, regarding rotors, supports and casings, are built and combined. The complex error coupling relationship is uncovered using mathematical methods. Rotor and stator tip clearances are predicted and analyzed in different phase angles. The maximum, minimum and average tip clearances can be calculated. The proposed model is implemented by a computer program, and a case study illustrates its performance and verifies its feasibility. The results can be referred by engineers in assembly quality judgement and decision-making.     

压气机转子叶片的抑颤设计(“两机”专刊)

以一高压压气机转子叶片为对象开展了叶片抑颤工程设计方法研究,采用基于相位延迟边界条件的能量法和特征值法对原转子叶片模型的气动弹性稳定性进行评估,通过分析近失速工况下的非定常气动功密度分布,对叶片安装角沿径向分布、弦长和叶尖间隙等设计参数进行调整,以明确各参数对气动弹性稳定性的影响,最终达到提高气动阻尼的目的。研究结果表明：叶尖间隙对气动阻尼的影响较大,安装角次之,弦长影响相对较小。叶片气动阻尼随叶尖间隙的变化并非单调,而是存在一个叶尖间隙使其气动阻尼最小,即叶片气动弹性稳定性最差。减小进口气流攻角和增加折合频率,能够提高气动阻尼,设计中可以通过调节安装角来减小气流攻角,增加弦长来增大折合频率。     

间隙高度对超声速膨胀器流场及性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,对不同间隙高度超声速膨胀器的流场和性能进行了数值研究,结果表明:间隙高度显著影响三维流道内的局部流动特性和超声速膨胀器的整体性能,随间隙高度增加,气流最高相对马赫数降低,高速区范围逐步缩小;泄漏涡增强,尺度变大,横向和径向运动明显,泄漏损失增加,但激波及激波附面层相互作用的损失降低;超声速膨胀器的膨胀比先增大后减小,等熵绝热效率持续降低.下端壁、吸力面附近低能流体之间以及与壁面的摩擦损失和间隙泄漏损失是有间隙超声速膨胀器三维流道内损失的主要来源,超声速膨胀器的间隙高度宜在0.9%h0~1.5%h0之间选取.     

超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙流动特征及间隙高度的影响

采用数值模拟方法研究了超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙流动特征,详细分析了泄漏涡、叶顶分离涡、上通道涡等的流动细节,在此基础上分析间隙高度对流场特征和叶片负荷的影响.结果表明:超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙区域存在多种形式的流动分离,泄漏流非常强烈,不仅直接影响上通道涡的形成与发展,使通道涡整体向叶根移动,而且部分泄漏流进入下通道涡;随着间隙高度增加,叶顶分离涡和泄漏涡均明显增强,叶片负荷尤其是叶顶负荷有所降低.     

压气机转子叶片叶尖流场的低速模化设计

针对带进口导叶的高速压气机第1级转子叶片的叶尖流场进行了低速模化设计,为后续的低速压气机叶尖流场损失和失速测试试验做了准备.利用叶片造型和数值模拟方法,以保证高、低速压气机转子叶片表面压力系数及叶片排进、出口主要气动参数分布相似为目标,对高速原型压气机进行低速模化设计,包括调整流道形状,对叶型进行反复迭代,并在进口导叶和1级转子叶片的造型设计上突破了几何相似的限制.最后,对高低速压气机的几何、气动参数和流场结构进行了全面的计算对比分析,证明采用所提出的低速模化设计方法是成功的,实现了在流量系数相同的情况下,加工量因子和转子扩压因子分别为98.16%,94.95%的相似度.     

基于叶尖定时的叶片耦合振动参数辨识与仿真

为了实时掌握叶片振动情况、预防故障发生,目前最常用的非接触振动测量方法是基于单自由度模型的叶尖定时法,但当叶片耦合振动时2个振动峰相隔很近,该方法无法同时识别出其振动参数。采用基于2自由度模型的曲线拟合方法,得到叶片耦合振动2个峰的初始相位等参数,用相位遍历法辨识出叶片的振动阶次和频率。结果表明:采用基于2自由度模型的曲线拟合方法提高了叶片耦合振动参数辨识的精度,辨识了相邻2个峰的振动参数。辨识振动与仿真参数设置基本一致。     

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。