航空弧齿锥齿轮副风阻功率损失分析与优化

基于CFD理论,利用Fluent求解软件,借助超级计算机强大的并行运算能力对航空弧齿锥齿轮副风阻功率损失进行仿真计算。采用局部综合法建立弧齿锥齿轮副三维模型,选用RNG k-ε湍流模型,考虑平均流动中的旋流流动情况,与标准k-ε模型相比,RNG通过修正湍流黏度并很好地处理了高应变率以及流线弯曲程度较大的流动。齿轮边界运动通过UDF(user-defined functions)函数驱动,同时采用动网格模拟流场形状由于边界运动而随时间改变问题。最后得出无挡风罩和不同挡风罩配置下的齿轮副风阻功率损失,证实了合理安装挡风罩能够有效降低齿轮风阻损失,并分析多组仿真实验间的减速器内流场压力、速度、湍流动能云图变化,得出了最优化的挡风罩配置,以求最小化风阻功率损失,文中减阻效果最好的挡风罩能降低55.3%的齿轮风阻损失,此时挡风罩间隙为1 mm,为工程实际应用挡风罩的设计提供了参考。     

高速人字齿轮副风阻损失及其影响因素分析

建立高速人字齿轮副外部空气的流体动力学模型,基于RNG （re-normalization grop）k-ε湍流模型及动网格技术,仿真分析了齿轮周围气流瞬态特性,阐明了齿轮风阻损失机理,研究了齿轮副转速、转向和螺旋角变化对风阻功率的影响规律。结果表明：齿轮副风阻损失主要来源于齿面压差力矩,风阻功率近似与转速的3次方成正比;齿轮副正反转将改变轮齿周围气流方向及齿面最大压差位置,但对风阻功率无影响;螺旋角增大有利于降低风阻功率,螺旋角越大,齿轮副风阻功率降低越显著。单齿风阻力矩曲线呈周期变化,通过啮合区时出现增大-减小至负值-再增大-减小至平稳的波动特性,在非啮合区时趋于平稳;单齿风阻力矩波动值随转速增大而增大,随螺旋角增大而减小。     

齿轮风阻损失仿真及其实际应用

对多种齿形大小相似但种类不同的齿轮进行了仿真研究,对轮齿周围的空气流场以及齿面压力场进行了分析,并对某型航空发动机中央传动锥齿轮的风阻损失进行了评估.结果表明,齿轮的风阻损失由压力损失和黏性力损失构成,其中黏性力损失占比为4%～17%.由于壁面作用,斜齿轮轮齿旋向不同也引入了约60%的风阻损失差异.航空发动机中央传动锥齿轮的风阻损失则在总损失中占比约为49%.      

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。     

中心进气开式转静系转盘风阻扭矩实验

采用实验的方法对中心进气开式转静系转盘的风阻扭矩特性进行了研究,利用特殊的测量装置设计,实现利用静止扭矩仪测量转盘受到的风阻扭矩。结合流动参数以及转静间隙比等变量,对比研究了有无封严结构的转静系两种模型,并总结出开式转静系转盘的扭矩系数经验关系式。结果表明,转盘的风阻扭矩主要受到腔内的流动结构影响,腔内流体的流动形式,旋转主导或者通流主导对转盘扭矩系数有着不同的影响。对比自由盘,开式转静系中静盘对扭矩系数的影响与间隙比的大小有关。分析实验数据发现最小临界间隙比以及最大临界间隙比的范围,分别为G=0.02~0.04以及G=0.06~0.08,当间隙比较小且腔内旋转主导,转盘扭矩会比对应参数自由盘模型小5%~15%,而出口封严环罩会使得转盘扭矩系数增大20%。     

弧线齿面齿轮的齿面设计与加工

提出了一种新型弧线齿面齿轮传动及其加工方法,比直/斜齿形的面齿轮副具有更为优越的传动性能.弧线齿面齿轮传动是一种交错轴弧形齿圆柱齿轮与弧线齿面齿轮相啮合的传动.基于啮合理论,研究了弧线齿面齿轮副的切削理论以及相应的齿面设计、制造方法;建立了弧线齿面齿轮的加工模型,推导了弧线齿面齿轮的齿面方程,并建立了相应的有限元模型及三维仿真模型.提出了利用常规的格里森刀盘,在国内已有的数控加工中心或数控齿轮机床上加工弧线齿面齿轮的方法,制造工艺简单.      

考虑间隙变化的旋转篦齿流动特性实验

对台阶型封严篦齿流动特性进行了实验研究。考虑齿顶间隙变化,研究了不同压比(1.1~1.6),不同转速(0~8 100r/min)对篦齿泄漏流量、流量系数、风阻温升的影响。通过测量转盘和静止机匣的径向变形来获得篦齿工作间隙。利用插值法保证间隙一定,研究了转速这一个单一变量对篦齿封严流动特性的影响。结果表明:随着压比增大,泄漏流量增大,流量系数增大,小压比(压比为1.3)时增长较快,齿顶间隙微弱降低,风阻温升减小。随着转速的增加,泄漏流量和流量系数降低,齿顶间隙减小,风阻温升增大。间隙一定时,转速增加有利于提高篦齿密封特性。     

旋转状态下阶梯齿风阻温升的初步分析

本文主要介绍了旋转状态下阶梯齿内部气流风阻温升的计算方法,对不同压比、不同转速下冷气流经阶梯齿后的温升特性进行了详细的计算分析,并与试验结果进行了对比分析.研究结果表明:篦齿泄漏流的温升主要是由篦齿盘面旋转效应引起的风阻温升和气体在旋转腔道中摩擦引起的风阻温升.     

转动和旋流对压气机级间封严影响的数值研究

对压气机级间封严篦齿进行了流场数值模拟。基于文献实验数据,进行了湍流模型的验证。在稳态条件下获得了带有进出口旋转盘腔的篦齿泄漏特性、风阻温升特性和旋流特性,对比了系统特性和篦齿特性。研究了转速(3~12kr/min)和进口旋转比(0~0.4)对级间篦齿密封的流量系数、风阻温升和出口旋转比的影响。结果表明随着转速的增大,流量系数减小,风阻温升和出口旋转比增大;随着进口旋转比的增大,流量系数和风阻温升减小,出口旋转比增大。     

转速对压气机级间篦齿封严影响的实验

对压气机级间篦齿封严进行了实验研究.不同压比下（1.05~1.3）,研究转速（1500~8100r/min）对压气机级间篦齿封严的工作间隙变化、泄漏特性、温升特性和旋流特性的影响.结果表明:随转速的增大,工作间隙减小,流量降低;小压比时流量系数降低,较大压比时流量系数变化微小.系统风阻温升随转速增大而增大,转速越大时,其温升越明显.另外,随转速的增大,出口盘腔同一径向位置的旋转比增大;同一转速下,随出口盘腔径向位置的增大,旋转比降低.      

基于GWO-TVF-EMD方法的行星齿轮箱齿面剥落故障诊断

针对时变滤波经验模态分解（TVF-EMD）方法的不足之处,将样本熵作为适应度函数,采用灰狼优化（GWO）算法对带宽阈值和B样条阶数核心参数进行寻优,得到最优组合解,对不同的故障冲击试验振动信号进行分解。对本征模态函数（IMF）分量选取过程进行优化,采用多个加权指标对所有IMF分量进行计算,最终选取最优IMF分量,再通过包络谱分析提取出行星轮齿面剥落故障特征。在行星齿轮箱故障试验中,利用方均根法对剥落故障进行初步识别,根据GWO-TVF-EMD法分解得到各剥落故障信号最优IMF分量,使用包络谱分析明显判断出行星齿轮的故障频率。该方法能够提取3种不同程度齿面剥落故障的细节特征,理论值与实际值的相对误差为1.68%。      

旋流和风阻温升下压气机级间篦齿封严空气网络计算模型

以压气机级间篦齿封严结构为研究对象,将封严系统简化为典型元件组成的空气网络,建立相应的元件流动特性计算模型。篦齿封严泄漏特性计算模型中没有考虑旋流和风阻温升影响的问题。特别采用一维流基本方程组进行描述旋转盘腔内的旋流,转子壁面摩阻应用经验关系式计算,方程组采用龙格-库塔法求解。旋转盘腔一维工程计算获得其旋流速度和风阻温升分布。根据旋流速度的大小,采用面积修正法对篦齿封严的泄漏特性计算方法进行了修正,并通过考虑流体物性随沿程温度变化来考虑风阻温升的影响。考虑旋流与温升的泄漏流量计算结果与数值计算结果最大相差1.4%,而不考虑旋流及风阻温升时最小偏差为9.9%,最大偏差为20.1%。一维工程计算结果与实验结果进行了对比,两者吻合良好,相对偏差不超过7%。计算中采用实测的篦齿间隙,该间隙通过在旋转篦齿实验中测量转子的转动变形与受热膨胀,以及机匣的热变形而获得。      

涡轮叶片异型冠结构优化设计

在低压涡轮叶片异型冠结构设计研究的基础上,探索异型冠结构优化设计方法。为了达到减轻质量的目的,在传统锯齿冠结构的基础上提出异型冠结构的初步设计方案,并以软件UG NX为平台,实现带异型冠涡轮叶片的参数化设计。通过对异型冠结构参数的灵敏度分析,制定了涡轮叶片异型冠结构的双目标优化设计流程。该方法实现了在保证异型冠结构强度及刚度的前提下,叶冠质量最轻及叶冠质心位置最优调控的目标。优化结果表明:叶冠质量降低了53.05%,最大应力下降了43.41%,最大径向变形量下降了45.80%。      

滑油泵流量不合格排故研究

为排除某型航空发动机滑油泵在使用1个发动机寿命期后流量不合格的故障,根据滑油泵工作原理,分析了滑油温度和滑油泵间隙（端面间隙、凸台间隙和径向间隙）等因素对其流量的影响。结果表明,温度对滑油泵流量性能影响较大,其影响主要是在滑油温度改变后,端面、凸台和径向间隙泄漏量变化而产生的;滑油泵端面间隙对流量的影响较大,端面间隙缩小O．01mm,流量可以提高1咖1n左右,将滑油泵凸台间隙调整至-O．01～O．01mm和0～O．02mm区间,流量可提高2～3L／min。通过试验验证给出了提高滑油泵流量的措施,从而排除了多台某型发动机滑油泵流量不合格故障。     

Numerical investigation of windage heating within shrouded rotor-stator cavity system with central inflow

The rotating disk surface temperature rise due to windage heating effect by numerically modeling the turbulent flow within a rotor-stator cavity which is available with a peripheral shroud and imposed through airflow was dealt with. The windage heating may be defined as viscous friction heating caused by relative velocity differences across the boundary layers between the fluid and the rotating disk surface. The kinetic energy dissipation process could transform the rotating shaft power into thermal heating. Commercial finite volume based solver, ANSYS/CFX was employed to numerically simulate this physical process by using the shear stress transport (SST) turbulence model. CFD results include the rotating disk surface temperature axial distribution and tangential velocity distribution of the fluid domain. The velocity difference between the result obtained by particle image velocimetry (PIV) experiments and CFD simulation are within 5%. The adiabatic disk temperature rise can be calculated by the tangential velocity of disk and fluid in large gap ratio and turbulent parameter. CFD temperature distribution results and those estimated via velocity differences are within 10%.     

GTF发动机行星齿轮传动系统设计技术研究

行星齿轮传动系统作为齿轮驱动风扇(Geared Turbofan,GTF)发动机的关键部件,其传动功率大、空间结构紧凑、工作条件恶劣。为突破该部件设计关键技术,并为国内GTF发动机结构设计积累经验,在GTF发动机齿轮传动系统概念设计的基础上,开展了其初步设计,对齿轮进行疲劳强度分析;采用齿轮宏观参数优化和微观修形设计方法,提高齿轮承载能力,减小传递误差,改善齿轮接触区应力分布,提高齿轮传动系统的运动平稳性。     

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

基于变形协调和间隙浮动的双路功率分流系统均载特性分析

针对双路功率分流系统的载荷均匀分布问题,建立了该系统的静力学模型,并根据系统构成功率流动闭环的特点,推导出扭转角变形协调条件,将该条件联立力矩平衡条件和弹性支承条件,计算出了各齿轮副传递的扭矩,得到系统的均载系数.从静力学角度分析了各构件安装误差和均载特性的关系,并分析了间隙浮动对均载特性的影响.结果表明:齿轮2存在安装误差为0.03mm的情况下,间隙量为0.8mm即可满足基本构件浮动,得到均载系数为1.0038,间隙浮动有利于提高均载性能.对比实验和理论分析的结果,同一误差条件下,功率分配分别为53.88%和53.50%,从而验证了该方法的正确性.