中介机匣附面层数值计算与试验分析

对位于低压风扇出口和高压压气机进口间的中介机匣壁面附面层的分布作了数值计算和试验研究。采用反积分和差分方法分别求解有分离的紊流附面层和层流附面层方程，对层流分离到紊流再附着，层流到紊流的转捩及紊流分离进行了判别，并测量了不同进口马赫数条件下的中介机匣壁面的静压和附面层厚度的分布，对比情况说明，计算结果和试验数据基本吻合。     

机匣温度边界条件对跨声转子性能的影响

为探究机匣壁面温度对跨声转子性能的影响,利用数值模拟对等温机匣壁面和绝热机匣壁面两种情况的跨声转子Rotor 37进行研究,对比分析了其对特性线、总温等参数的展向分布和叶顶流场结构的影响及其机理。结果表明,等温壁面相比于绝热壁面更接近实验的真实情况,采用等温壁面边界条件预测的出口总温径向分布在90%叶高以上更符合实验数据。等温壁面边界条件使Rotor 37转子的效率在数值上提升了约2%,更接近实验数据,但对三维流场的进一步分析表明,其对转子真实性能的影响很小。通过对熵的对比分析发现,由于采用等温壁面,机匣和外界的热交换可达轮缘功的1.4%,导致传统的绝热效率计算公式失效,而在使用增加了热交换项的修正效率公式后,两种温度边界条件的Rotor 37重新计算的效率几乎相等。     

航空发动机风扇叶尖径向间隙数值分析

采用流-固-热耦合计算方法,综合考虑离心载荷、温度载荷和气动载荷影响,对某改型发动机的风扇转子和风扇机匣进行数值分析,获得了发动机三个典型状态点下,风扇转子和风扇机匣的压力、温度及结构变形分布;通过对风扇转子和风扇机匣两者变形的叠加,获得了风扇叶尖径向间隙分布。计算结果显示:该型发动机在原型机设计点和转速最高状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面发生碰磨;而在温度载荷最大状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面始终存在间隙,这会影响到该状态点下的风扇效率,需在后续设计中予以考虑。     

基于壁面压力的试验参数分析方法

为了在冲压发动机试验过程中丰富试验参数类别和提高参数分析速度,针对直连式超燃冲压发动机,原创性地提出了基于壁面压力测量结果的试验参数分析方法。该方法引入原子流量守恒方程 构建了封闭方程组,在无需任何额外测量仪器的条件下,以壁面压力、来流参数和燃烧室面积变化律为输入,求解方程组可快速获得超燃冲压发动机的马赫数、温度、速度、组份浓度、燃烧效率等参数。结合三维数值计算和地面试验,通过两个算例对该方法的可行性进行了验证。结果表明,该算法可以获得较高的精度,在燃烧室出口,速度、温度等误差均在5%以内,组份浓度分布和数值结果非常吻合。     

航空发动机排气系统红外辐射测量与数值计算比较研究

评估航空发动机红外隐身性能,需获取其排气系统的红外辐射强度。介绍了航空发动机排气系统红外辐射测量方法,通过试验验证得到了3~5mm的红外辐射特征。采用反向蒙特卡洛法对发动机排气系统的红外辐射特征进行数值计算,计算中将固体壁面的反射特性分别设为漫反射体和镜面反射体,并将计算值与试验值进行对比分析。结果表明:两者分布规律一致,但将壁面的反射特性作为镜面反射处理时,计算值与试验值的误差明显减小。     

液体火箭发动机燃烧室壁液膜冷却的数值模拟

为研究液体火箭发动机的液膜冷却,建立了液膜模型。考虑核心气流与液膜间的对流传热,辐射传热以及壁面与液膜的对流传热分析传热量,由液膜的卷吸和液膜的蒸发计算传质,并由气液界面和液固界面的摩擦力分析流动情况。在400N小发动机内流场数值模拟中采用了该液膜模型,计算得到的壁面温度分布与试验结果符合较好,表明该模型是合理可行的。改变发动机燃烧室半径和圆筒段长度,将数值模拟结果对比分析发现:在一定范围内随着半径和圆筒段长度的增加,液膜长度减小,室壁温度升高,冷却效果变差。研究结果可为发动机的设计提供参考。      

计及温度的铝蜂窝夹芯结构机匣抗冲击性分析

航空发动机机匣具有良好的抗冲击性,是保证飞机安全运行的现实要求。针对机匣常用铝蜂窝夹芯结构,通过试验与仿真结合方法研究温度对其抗冲击性能的影响。首先,基于应变测试技术搭建温度可调冲击试验系统,开展不同温度下铝蜂窝夹芯板弹道冲击试验。其次,依据冲击试验条件进行仿真模拟,并将仿真结果与试验数据进行对比,验证仿真模型的可靠性。最后,通过LS-DYNA进一步开展不同温度下铝蜂窝夹芯结构机匣抗冲击性数值仿真分析。结果表明,温度在25～200℃范围内,铝蜂窝夹芯结构机匣抗冲击性随温度上升呈先增后减的趋势。研究结果对铝蜂窝夹芯结构机匣的温度效应研究具有一定的参考价值。     

机匣包容性破坏势能法的试验验证

为了验证航空发动机机匣包容性破坏势能法，本文完成了20次模型机匣包容性冲击试验，得到了模型叶片撞击模型机匣时的速度、应变响应和模型叶片撞击模型机匣过程的高速摄影照片。试验结果表明，该模型机匣的非包容失效模式主要是剪切破坏。本文还采用数值分析方法对机匣包容性进行了模拟，计算结果与试验结果吻合良好。     

超燃冲压发动机二维热环境数值模拟

对超燃冲压发动机热环境进行了研究和计算.以二维N-S方程和一维瑞利加热规律为基础, 建立了超燃冲压发动机内流场的热环境计算模型;用MacCormark预测-校正格式编写了数值计算程序;对飞行马赫数Ma=6和Ma=8两种工况的超燃冲压发动机内部热环境进行了数值模拟, 得到了发动机内部流场的温度分布和壁面热流分布;对计算结果进行了分析.结果表明, 采用二维无反应流体计算和一维加热规律相结合的方法, 在超燃冲压发动机热环境研究中是可行且有效的.      

大落差长度比中介机匣气动性能试验及数值模拟

为了考察中介机匣气动性能水平并验证设计方法,对中介机匣进行了气动性能试验,同时采用NUMECA Fine软件进行了相应的数值模拟。为了准确测量流过中介机匣内涵的气流流量,设计了一种流量测量装置并进行了精度校核,结果表明：测量精度的相对偏差小于1.5%。针对高进口马赫数时在进口平直段上两侧的壁面静压比中间区域小,以及某些涵道比未能调节到目标进口马赫数的情况,进行了相应的数值模拟并提出了解决方案。用单点总压管对内、外涵出口进行了扇面测量,得到了内涵的总性能曲线、总压恢复系数径向变化曲线及内、外涵总压恢复系数云图,并与计算结果进行对比,结果表明：内涵总性能曲线及内、外涵总压恢复系数云图的计算结果与试验结果吻合较好,在设计状态下,内、外涵出口测量截面的总压恢复系数分别为0.992 1、0.986,两数值均高于设计指标,中介机匣具有较好的气动性能。     

含支承松动故障的弹用涡扇发动机整机振动建模与机匣响应特征

针对某型弹用涡扇发动机结构特点,建立了一种转子-支承-机匣整机模型,对转子与机匣采用有限元梁模型,支承采用集总质量模型,引入支承松动故障模型,利用数值积分方法求解耦合系统的响应.基于机匣加速度信号,研究了对称刚度以及不对称刚度模型下松动故障的冲击特征分析.结果表明:①松动故障所引发的机匣加速度时域波形具有上下不对称性冲击特征以及频谱中出现倍频特征;②仿真计算结果与实际弹用涡扇发动机试车数据时域波形特征以及频谱特征非常一致,而且验证了不对称刚度松动故障模型更适合弹用涡扇发动机的松动故障建模.      

基于燃气发生器法的小型中涵道比发动机性能计算分析

为了研究小型中涵道比分排涡扇发动机装机性能,建立了基于燃气发生器法的性能计算模型。由CFD数值模拟计算喷管特性,由发动机地面台架试验及针对小型中涵道比的特点发展的修正方法获取内外涵喷管进口总压和总温的修正系数曲线,经高空模拟台试验验证,发动机最大状态下的推力计算误差≤0.5%。再基于飞行试验测试数据,计算得到发动机在装机条件下的空气流量与飞行推力,与发动机设计厂家的模型计算结果相比,发动机各状态下推力最大误差≤1.3%,流量最大误差≤2.5%。结果表明：发展的性能模型修正方法适用于小型中等涵道比涡扇发动机的装机性能确定;同时修正中等涵道比分排发动机的内外涵喷管进口压力可提高模型推力计算精度;同时修正小流量分排发动机内外涵喷管进口温度可提高流量计算精度。     

复合材料机匣周向安装边模拟件强度与损伤分析

为了较准确地预测航空发动机机匣复合材料周向安装边的强度和失效模式,以某型涡扇发动机复合材料机匣周向安装边为对象,开展了复合材料机匣周向安装边模拟件的静拉伸试验和静强度及损伤预测方法研究。通过试验获得周向安装边模拟件静强度及给定考核静载下的损伤模式;基于3维逐渐损伤分析方法,采用挤压孔边局部节点合并等效接触算法,建立了复合材料机匣周向安装边模拟件的静载逐渐损伤分析模型,采用该模型对安装边模拟件不同角度的铺层损伤模式进行了分析。结果表明:静强度预测误差在6%以内,考核静载下的预测损伤与试验结果对比损伤区域基本一致;所建立的静载逐渐损伤分析模型具有较高的计算精度。     

Containment of soft wall casing wrapped with Kevlar fabric

Aramid fabrics have been commonly used in the civil turbofan engine fan blade containment system for its excellent performance. To investigate the behavior and capability of soft wall containment casing, a series of fan blade released tests were conducted on the high-speed spin tester.The soft wall casing was fabricated by wrapping multiple layers of Kevlar49 plain woven fabric around a thin steel ring. Casings with different inner metal ring and outer fabric layers number were compared. The method of using the explicit dynamic software LS-DYNA to establish the finite element analysis model for the quantitative analysis of the containment process was developed and conducted. The simulation results are in good agreement with the test results. It is shown that the containment process of the soft wall casing can be divided into three impact stages. The casing with low-stiffness inner metal ring will get severe overall deformation and lose the structural integrity when it suffers the blade impact. Kevlar fabric layers will appear large bulge on outside surface and absorb the most impact dynamic energy of the high speed released fan blade. By summing up the results of the test and simulation, an empirical critical equation was derived to describe the relationship between the released blade dynamic energy and the Kevlar fabric thickness.     

涡扇发动机加减速特性显式与隐式计算方法

为了探索一种便于进行涡扇发动机过渡态控制规律设计的性能计算模型,提出了基于部件法的涡扇发动机加减速的显式格式和隐式格式计算方法,该方法通过在发动机计算模型中直接给定喘振裕度限制值、燃烧室油气比限制值和涡轮进口总温的限制值,计算出最优的加减速特性,进而获得发动机的最优加减速控制规律。计算模型针对不同的给定值,选择了不同的燃烧室容积效应模型。证明了对一般的涡扇发动机,隐式格式计算模型中,给定压气机喘振裕度算法的解是唯一的。以某涡扇发动机在地面的加减速过程为例,按最优加减速控制规律计算,显式格式算法和隐式格式算法的结果误差小于1.3%.对给定高压转子转速加速率的加速特性也进行了验算,计算结果与最优加速过程的结果误差小于1.7%.本文提出的加减速特性计算方法可为涡扇发动机的过渡态开环和闭环控制规律设计提供便捷的手段。     

某型涡扇发动机高压转静子碰摩故障研究

基于某型双转子涡扇发动机高压转、静子在工作中发生的碰摩现象,通过碰摩消除前后的整机振动响应对比,总结了高压转、静子碰摩的典型振动特征,结合碰摩特点及相关振动理论研究,建立了高压压气机转、静子碰摩模型,应用龙格库塔(Rung-Kutta)法求解模型特定转速下碰摩位置振动响应的频谱图。计算与试验结果表明:双转子结构发动机发生转、静子碰摩时靠近碰摩位置的机匣振动响应会出现次谐波、高次谐波和组合谐波成分,且随碰摩接触面积的增加而增加。     

涡扇发动机放气起动分析与试验研究

为进行涡扇发动机放气起动特性的研究,建立了发动机放气起动模型,并进行了仿真计算;为进一步验证放气对发动机起动的影响,进行了发动机放气起动试验,获得了发动机放气起动的特点,定性验证了仿真计算结果;通过多次调整起动供油规律的试验,得到了发动机起动供油边界。计算和试验结果表明:在发动机起动过程中放气可提高发动机的起动稳定性,同时发动机排气温度也有所提高,发动机放气起动供油边界高于不放气起动供油边界,放气起动提高了发动机起动稳定裕度。     

涡扇发动机带动力数值模拟

基于等熵流动原理,通过在排气口处设定总温比／总压比,进气口处设定质量流量,提出了一种新型的发动机进排气边界条件。通过与N-S方程耦合求解,数值模拟了轴对称超高涵道比涡扇模拟器CURF和单独涡轮动力模拟器进排气流场,数值结果表明：计算结果和实验值吻合较好,验证了提出的发动机进排气边界条件的正确性,同时也验证了涡扇发动机带动力流场计算方法的可靠性。     

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

涡扇发动机起动过程气动稳定性的数值计算

1引言国内外发表的关于燃气涡轮发动机起动过程的研究论文很少涉及燃气涡轮发动机起动过程气动稳定性的研究[1~3]。由于起动过程发动机的共同工作线非常靠近喘振线,起动极易诱发发动机出现失速或喘振现象,因此,有必要对燃气涡轮发动机起动过程的气动稳定性问题进行深入的研究。