某型液体火箭发动机部分进气涡轮盘振动分析及改型设计

针对某液体火箭发动机部分进气自由叶片涡轮盘多次试车后在叶片型线根部和背弧出现疲劳裂纹的问题,采用三维弹塑性有限元法,考虑部分进气产生的Kick效应,计算了涡轮盘的静强度,得到了部分进气作用下叶片的静弯应力;考虑多场环境引起的预应力影响,计算了涡轮盘的模态,获得了涡轮盘固有频率和主振型;采用全环模型,计算了部分进气作用下涡轮盘的动态响应和动应力。在裂纹原因分析的基础上,对涡轮盘进行改型,在叶片顶部增加了围带,并对带围带涡轮盘进行了计算分析。结果表明：加围带后,涡轮盘叶片气流静应力下降了50■;气流力作用下的叶片动弯应力下降了65■;叶片之间以及叶片和轮盘之间耦合作用明显增强,涡轮盘固有振动模式发生转变,避免了叶片在共振频率附近发生的强迫振动;改型后显著降低了涡轮盘静应力及动弯应力,降低了出现裂纹的风险。     

带冠弯扭涡轮叶盘电火花加工电极的设计与制造

成型电极设计与制造是带冠整体涡轮叶盘电火花加工的关键技术之一。以自主开发的整体涡轮叶盘电火花加工专用CAD/CAM系统TBCam和UGIINX作为辅助工具,详细介绍了某型号涡轮发动机带冠弯扭涡轮叶盘电火花加工电极的设计过程和制造工艺。其中,电极设计包括弯扭叶片的三维实体造型、弯扭叶盘的整体造型、电极型面的设计和电极零件的后处理等;制造工艺部分详述了电极线切割加工和数控铣削加工的完整工艺过程。     

叶型尺寸比例变化对预测涡轮气动性能和气动力的影响（英文）

以某火箭发动机涡轮为对象,研究了动静叶叶型尺寸比例变化技术对预测涡轮气动性能和非定常气动力的影响。该涡轮为一级轴流涡轮,含18个静叶和32个动叶。针对不同比例系数变化的结构进行了三维定常和非定常数值模拟,以原始结构作为基准算例进行对比分析。结果表明,动静叶比例变化对定常和非定常时均叶片压力和性能预测影响很小,尺寸变化超过10%时,预测偏差不到2%。对时域上的非定常压力和气动力进行快速傅立叶变换(FFT)得到频域特性。分析表明,比例变化对频率特性的预测几乎没有影响,而对幅值特性影响很大,预测的幅值偏差与变化比例大小没有直接关系,但是尺寸变化较小的情况确实显示出相对稳定且较小的预测偏差。     

火箭发动机部分进气涡轮设计与流动分析

根据某型液体火箭发动机总体性能及结构要求,采用一维方法设计了部分进气、圆锥形喷嘴、单级超声速冲击式涡轮。基于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对涡轮内部流场进行全三维粘性定常仿真计算及分析,并研究了不同转子叶栅通道面积变化方式对涡轮性能的影响。结果表明:部分进气涡轮内部流动流线不规则、存在较多漩涡流动、转子叶栅激波复杂、叶片通道内分离较为严重;喷嘴通道和转子叶栅通道内总压损失均在20%以上,其中转子叶栅通道损失更大;不同转子叶栅通道面积的变化方式对涡轮总体性能影响基本不大,但收缩-扩张型通道可降低流速,缓解气流分离,对降低叶片温差应力有一定帮助。     

基于UG/GRIP的涡轮叶片辅助造型方法

运用多项式原理和UG／GRIP技术对冲击式涡轮静子叶片进行造型设计,获得了一种先进的涡轮参数化设计方法,从而能够及时、直观地考察叶片的气动特性。同时可采用交互方式对涡轮设计参数进行修改,增强了涡轮计算机辅助设计系统的交互设计能力．有利于提高涡轮设计质量。     

国家运载系统先进涡轮泵驱动涡轮的设计

描述了先进的燃料和氧化剂泵驱动涡轮的空气动力学设计。正在研究将这些新结构所体现的技术应用于目前正处于初级设计阶段的美国政府属下的国家运载系统的主推进系统。该系统的主发动机将使用一个气体发生器循环,产生高于272,400kg 的推力,并具备节流能力。泵驱动涡轮的设计要求由先进的气体发生器发动机循环所限定,要求有很高的比功以减小气体发生器系统的流量并增大比冲。高功要求与低温泵所需的相对低转速结合起来,导致涡轮级的高负荷。介绍了详细的设计过程,以及燃料和氧化剂涡轮的最终基本结构。还描绘出叶片静压力分布以及流量特性。所描述的涡轮设计方案是各工作成员成功合作的结果,其中来自不同组织的许多设计人员以互助合作精神工作在一起。两种涡轮结构都采用“非常规”的高旋转叶片(约160。),预计与传统的结构相比在成本和性能方面都具备很大优势。     

某型超音速冲击式氧涡轮叶型气动优化

使用NUMECA软件对某型超音速两级冲击式涡轮进行了全三维定常湍流流场计算,分析了计算结果。以此为基础,通过修改叶型得到性能较高的涡轮叶型设计,并对比了优化前后涡轮内部流场。以三维计算结果为基础,分析涡轮内部流动损失,在保证氧涡轮原有机械结构不做大的改变、输入条件不变的情况下,对涡轮叶型进行优化研究。以叶型参数为变量,以总静效率(在总总效率的基础上考虑余速损失而得)为目标函数,通过反复修改各个叶型参数,然后对每次修改过的叶片进行三维计算,通过比较涡轮总静效率大小判断叶型优劣。通过优化,获得了效率更高、做功能力更强的涡轮叶型。研究成果对工程研制有一定的指导意义,总结的涡轮气动设计及优化方法,对涡轮的设计具有借鉴作用。     

液体火箭发动机氢燃料涡轮三维非定常流场数值研究

结合实际工程项目,对液体火箭发动机两级轴流氢燃料涡轮进行了三维非定常数值模拟。以动静叶排干涉、非定常叶片力和力矩为目标,对涡轮内部非定常流场进行了深入的研究分析,计算了涡轮性能曲线并与试验结果进行了对比。结果表明:所采用的计算方法可以很好地模拟涡轮内部的非定常流动现象,涡轮一级动叶叶片力和力矩的波动幅值分别达15.78%和17.31%。就涡轮效率而言,非定常与定常结果存在一定的差别,在偏离设计点工况,非定常结果比定常结果更加符合实际情况。     

氨解离度对无水肼ATR发动机性能影响研究

基于无水肼ATR发动机,开展了氨解离度对涡轮前燃气及发动机总体性能的影响研究,对不同氨解离度时无水肼ATR发动机性能进行计算对比。结果显示,随着氨解离度x升高,无水肼分解燃气温度降低,H_2、N_2在分解混合气中的质量百分比升高,燃气比热比、气体常数数值升高;在地面状态同一转速下,x越小,发动机比冲越高。在100%物理转速时,x=0.29对应的发动机比冲最高且为808 s,无水肼流量为0.999 kg/s,较x=0.8发动机比冲提高最大约7.3%,无水肼流量减小约7.33%;同一高空条件100%转速下,x越小,发动机比冲越高。在22 km/3.5Ma条件下,x=0.29较x=0.8发动机比冲提高最大约14.6%,无水肼流量减小约8.2%。在同一ATR发动机、同一转速下,氨解离度越低,涡轮等熵功越大,无水肼流量越小,发动机比冲越高。     

特种高温合金涡轮球壳模锻件成型工艺

我国新研制的大型液氧/煤油发动机中,广泛地采用了某牌号高温变形合金,其中主涡轮泵中的涡轮球壳成型工艺比较复杂,经过多次反复研制生产及工艺方案的改进,初步确定了该零件的锻造成型工艺方案和合理的工艺参数,使该锻件获得了良好的机械性能.通过对该锻件成型工艺方案的研究,获得了该合金热加工工艺的应用经验,对所用合金模锻件的生产具有特别重要的意义.     

影响模压成型碳/环氧复合材料制件性能的因素分析

文章简述了碳/环氧复合材料模压成型工艺特性,从模压成型模具基本要求、模压成型温度、压力和保温时间等工艺参数对制件性能的影响作了较为详细分析。文中还提出将复合材料基础理论分析应用于生产过程中,对有效控制制件工艺状态稳定及其性能具有一定的现实意义。     

铸造工艺的发展

在涡轮部件的生产过程中,精密铸造工艺取得的主要成就如下:1)采用予成形陶瓷型芯,形成复杂的冷却通道,使叶片能够在高达200℃的燃气温度下工作.2)减少沿叶片长度方向,即叶片主应力方向上的晶界影响,使耐温能力提高50℃.早期的铸造涡轮叶片沿叶片主应力方向的柱状晶晶界破坏.在铸模表面涂层中加入诸如钴的氧化物作为结晶核心,可以形成细小的等轴晶结构.这种细小等轴晶结构减少了上述破坏.     

碳/环氧模压成型工艺特性及其影响性能分析

介绍了碳/环氧复合材料模压成型工艺特性和成型工艺过程,并从模压成型温度、压力和保温时间等工艺参数对制品性能的影响作了较为详细分析。文中还提出将基础理论分析应用于生产过程中,对制品工艺状态稳定及其质量得到有效控制,具有一定现实意义。     

双道密封装配技术

涡轮泵关键部位的静密封性能直接影响发动机工作的可靠性。文中阐述了两道压缩变形量不同的双密封结构及拧紧力矩与压缩量之间的关系，介绍了双道密封的装配工艺和测算方法。     

亚声速部分进气涡轮数值模拟及优化设计

基于SST湍流模型,通过求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对某亚声速、部分进气形式涡轮全流场进行三维粘性定常仿真计算。共计算了4种模型,分别包含不同的损失通道,获取了涡轮部件各通道的具体损失量值。计算结果表明:原涡轮叶片通道损失、泄漏损失、部分进气损失基本处于较低水平。涡轮进排气结构性能差,内部流动混乱,存在大量分离涡,对涡轮效率影响很大,具有较大提升空间。通过涡轮进气和排气结构的优化改进,采用切向进气和切向排气的变截面蜗壳形式结构,三维仿真结果表明:优化后涡轮部件效率从0. 675提高至0. 706,增加了4. 59%,且涡轮轴向尺寸大幅度缩减。     

多级涡轮气热耦合仿真性能及强度对比研究

航空航天发动机中,涡轮工作环境恶劣,承受流动传热耦合作用下强烈的热冲击,其结构强度问题十分突出。分别采用气动仿真和气热耦合仿真对某多级涡轮结构开展气动和强度性能仿真研究,提取相应的热边界条件进行涡轮盘结构强度有限元计算。结果表明:两种分析方法得到的涡轮气动性能十分接近,但涡轮盘表面的温度分布存在较大差异,计算得到的径向变形偏差达16%,等效应力偏差达50~100 MPa,气热耦合仿真结果更为可靠。     

某战术导弹发动机扩散段绝热层缠绕成型工艺改进

为消除某战术导弹发动机扩散段绝热层内表面出现沟槽等缺陷,对缠绕热压罐成型工艺进行了研究。通过分析和试验确定了高硅氧/酚醛预浸布带性能、缠绕张力、缠绕温度和加压时间等工艺参数,以及热压罐固化曲线,并从理论上讨论了成型的缠绕张力、缠绕温度和加压时间等的影响。性能测试结果表明,工艺改进后扩散段绝热层沟槽基本消除,制品性能提高。     

涡轮叶型冷热态转换在液体火箭发动机中的应用

闭式循环液体火箭发动机涡轮叶片载荷大,温度分布复杂,叶片变形对气动参数影响显著。在以往的液体火箭发动机涡轮设计中,一般将设计出的叶片直接进行加工,而不考虑工作变形的影响。提出了一种叶片冷热态转换的方法,并以某发动机主涡轮为研究对象,首先通过气热固耦合仿真对比叶片变形对气动性能的影响,变形后的涡轮效率、流量、轴向力等参数均发生了显著变化,然后通过修正迭代对该叶片进行变形补偿,将热态工作叶片转化为冷态加工叶片。结果表明,该方法可以使叶型的气动参数得到精确控制,可开展工程应用。     

上面级发动机小功率冲击式涡轮性能试验研究

设计了一种适用于小功率冲击式涡轮性能试验方案,该方案由燃气路和水路组成,通过酒精发生器获取高温高压空气驱动涡轮转动,泵为水介质增压作为负载进行涡轮性能试验,保证了试验涡轮状态与真实产品状态的一致性.以涡轮相似换算准则为基础在试验系统能力允许的范围内设计试验工况.本涡轮性能试验方案利用泵水力性能核算涡轮输出功,根据实测的涡轮压力、温度等参数,最终获得涡轮效率随涡轮速比变化的性能曲线.通过设计考台试验件及考验方法,确保试验系统参数测量的稳定可靠.经某上面级发动机涡轮泵作为试验对象验证,采用该试验方案可以获取涡轮效率.同时3件试验涡轮转子的性能试验结果对比表明该上面级发动机涡轮转子性能一致.     

碳/环氧复合材料两次表面镜基板研制

文章介绍了碳/环氧复合材料两次表面镜基板的结构与铺层、选材与成型工艺,性能测试等内容。