点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析

基于八角桁架点阵结构,提出了一种新的涡轮压气机叶轮轻量化设计方法。在保证点阵轮具有可加工性的同时为了提高打印成功率,基于有限单元法对点阵轮不同激光功率、激光走速、激光宽度、铺粉层厚和支撑切割高度下的增材制造过程进行模拟,分析了不同打印参数下点阵轮打印过程的最大残余变形及最大残余应力。结果表明,激光打印参数(如激光功率、激光走速和激光宽度)对叶轮残余变形和残余应力幅值有较大影响,而铺粉层厚对残余变形和残余应力幅值的影响相对较小,通过降低激光功率、提高激光速度和增加激光宽度,可以降低叶轮的残余应力。对于填充率为11.4%的晶格单元,点阵轮相对于原始轮质量可降低23.5%。加工完成后点阵轮的残余变形和残余应力均小于原始轮,本文工况下,点阵轮加工完成后的最大残余应力和变形可分别比设计轮最多降低8.72%和20.19%。这意味着采用点阵轮的设计方式在降低叶轮质量的同时,还将具有更接近于原始设计且更不容易在加工中损坏的优良加工性。     

新型碳纤维点阵复合材料技术研究

为了制备新型轻质高强材料,研究了满足拉伸主导型设计和临界细长比限制的点阵材料构形特征.针对碳纤维复合材料特点,开发了三维穿插编织工艺,在此基础上设计制备了碳纤维点阵复合夹层梁结构.对比蜂窝和碳泡沫材料分析点阵夹层结构的基本力学性能.研究表明点阵夹层结构具备整体成型、不发生层间脱胶破坏、比刚度和比强度高等优点,是一种很有前景的新型航空航天材料.     

高压比离心压气机串列叶轮内部流动机理研究

为了探索串列叶轮的设计方法和实际应用,在常规离心叶轮的基础上,利用轴流压气机和离心叶片设计方法实现了串列叶轮设计,借助经过校核的数值模拟手段,对带串列叶轮的离心压气机内部流动进行了详细数值模拟,研究了诱导轮和导风轮之间相对周向位置对串列叶轮内部流场及气动性能的影响。研究表明:串列叶轮的引入能够不同程度改善离心压气机性能,且诱导轮与导风轮之间的相对周向位置对气动性能具有较大的影响,在λs=25%周向相对位置下,串列叶轮的引入使得压气机级综合裕度和峰值效率分别提高了1.3%和1.4%。与常规叶轮相比,合理布局的串列叶轮能够有效控制离心叶轮内部附面层的发展并改善离心叶轮内部流场特性以及离心叶轮出口流场品质,从而有效提高高压比离心压气机的性能和稳定工作裕度。     

基于增材制造的多层金字塔点阵夹芯板抗压缩性能

基于增材制造工艺制备多层金字塔点阵夹芯板,并根据标准测试方法进行准静态平压破坏实验,得到多层金字塔点阵结构的抗压缩强度。结果表明:制备的金字塔点阵结构抗压缩性能的稳定性非常好,载荷-位移曲线变化规律基本一致;试件的点阵胞元节点处首先进入塑性,之后中间两层点阵在节点处发生断裂,试件平压强度的平均值为6.72 MPa;由于成型工艺的限制,杆件"背面"质量较差,实际杆件的直径小于理论值,导致平压强度的实验结果小于理论和仿真分析值;理想化假设导致理论分析的平压强度结果与实验结果相差较大,而仿真结果与实验结果误差较小,可以控制在20%左右,满足工程精度要求;通过对比载荷-位移曲线和典型载荷下的结构变形情况可知,仿真分析可以较准确预测该点阵结构的压缩行为。     

前置不同诱导轮高速离心泵旋转空化特性研究

以高速诱导轮离心泵为研究对象,开展了无诱导轮、前置等螺距诱导轮、前置变螺距诱导轮及前置分流叶片诱导轮4种情况下离心泵全流道的空化数值模拟和汽蚀特性实验研究.通过外特性实验研究得到:在同一流量下,前置等螺距诱导轮离心泵的扬程最低,前置变螺距诱导轮离心泵的扬程次之,前置分流叶片诱导轮离心泵的扬程较两者稍高.通过汽蚀实验和数值模拟研究得到:在前置3种诱导轮的情况下,离心泵的汽蚀性能都得到了改善,其改善效果从低到高依次是:变螺距诱导轮、分流叶片诱导轮、等螺距诱导轮.通过对汽相体积分数分布情况的研究得到:诱导轮的吸力面除进口外缘容易发生汽蚀外,叶片出口靠近轮毂侧也较容易发生汽蚀;对比分析主叶轮和诱导轮的汽蚀情况,得到诱导轮汽蚀的严重性与离心叶轮的汽蚀严重性并非成正比的结论.     

诱导轮与叶轮组合式航空燃油离心泵轴向力间隙补偿

以诱导轮与叶轮组合式航空燃油离心泵为研究对象,开展了轴向力出口间隙补偿优化研究.进行了轴向力的数值模拟,并将仿真结果与理论计算进行对比,对比表明两种方法计算的轴向力结果变化趋势一致,误差不大于4％,且设计流量工况下误差最小,进而验证了基于Pumplinx环境下该型离心泵轴向力数值仿真的正确性.通过改变出口间隙宽度分析离心泵的轴向力变化,仿真结果表明:扩大出口间隙至0.2mm时,增大了轴向力,且影响了泵的增压能力;而减小出口间隙至0.1mm和0.13mm时实现了轴向力的补偿,且出口间隙为0.1mm时性能最优.最后对出口间隙为0.1mm时的轴向力性能进行了分析,分析表明:该条件下不同截面的压力分布正常稳定,且设计点的轴向力为3620N,从而实现了诱导轮与叶轮组合式离心泵的轴向力间隙补偿.     

航天器点阵夹层圆柱壳构型多学科优化设计

针对航天器结构承载、密封及轻量化设计等苛刻设计要求,基于四面体结构的微观单胞构型,研究双层点阵夹层圆柱壳结构的单目标及多目标优化设计。优化模型以点阵夹层圆柱壳结构中的上中下板面的厚度、间距以及单胞内杆件的半径作为设计变量,在单目标优化中,以结构的质量为目标函数,获得合理的单胞分布;在多目标优化中,以最小热传导系数、最大化一阶屈曲载荷、屈服强度为目标进行优化,获得多学科优化问题的Pareto前沿。基于双层四面体点阵结构的多目标优化,给出了用于描述最小应力、最小质量、最小传热的最优解集。     

轮体结构颗粒阻尼器设计方法

利用离散元法及正交设计方法,对典型轮体结构发生伞形振动时的二维等效振动模型进行了空腔尺寸及颗粒填充方案的数值设计,并结合振动试验结果给出了轮体结构颗粒阻尼器的设计流程及设计准则.研究表明:1建立的二维等效振动模型在能够反映轮体结构伞形振动基本特征的同时,也可以较为准确地模拟内部颗粒运动对结构产生的影响;2颗粒阻尼对轮体结构的振动有明显的改善作用,但填充不同材质的颗粒,其减振效果会有较为明显的区别;3空腔的尺寸及颗粒的质量率对颗粒阻尼的影响显著,应首先保证的是较高的颗粒质量率;4由于碰撞间隙的作用,对于固定规格的空腔和颗粒,存在最佳颗粒体积填充率使得颗粒阻尼的减振效果最佳.由试验与数值模拟的最佳方案的一致性可知,发展的设计方法可以较为准确地给出轮体结构颗粒阻尼器的最优空腔尺寸及其对应的最佳填充方法,可用于轮体结构伞形振动减振方案的前期设计.     

扰流柱几何参数对层板流阻和换热特性的影响

研究了扰流柱几何参数中填充比和直径比对于层板结构流阻和换热特性的影响,在进口流量和两侧换热条件相同情况下,对孔径、通道高度和开孔率相同,扰流柱均为圆柱形,出气孔均倾斜60°角,但扰流柱填充比和扰流柱直径比不一样的15种模型进行了流固耦合计算,得到了模型的流阻和换热特性.结果表明对于流阻而言,填充比的增加有利于层板模型流阻的减小和换热效率的提高;同时,在等填充比条件下,主扰流柱直径的增加有利于层板流阻的减小;当主、副扰流柱直径相同时,换热效果达到最佳.      

周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响

为揭示周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响机制,采用经试验数据确认的数值方法,对串列叶轮在典型周向布局下的性能及流场结构进行了分析。研究表明:周向布局对串列叶轮流动的影响主要体现在后排叶轮的叶顶区域,75%周向位置时压气机级性能最优,25%周向位置时最差;串列叶轮改善离心压气机流场的物理机制为诱导轮压力侧气流对导风轮吸力面附面层的吹除效应,以及导风轮吸力面侧流体对诱导轮尾迹的引射效应;高压比串列离心压气机周向布局的优化应遵循的原则是,在避免诱导轮尾迹与导风轮吸力面发生直接作用的前提下,应采用较大的周向偏置参数。     

间隙泄漏对半开式离心叶轮性能影响的实验研究与分析

通过实验研究,得出了半开式离心叶轮间隙对效率及压力的影响和不同间隙下叶轮出口径向速度的变化规律。在间隙一定,当流量从大向小变化时,主流区从轮盘侧向轮盖侧移动,有时在轮盘侧观测到明显的倒流现象。用动态热线风速仪对叶轮叶道出口的速度分布进行了集平均测量,得出了不同流量下的速度分布。     

某微小涡喷发动机压气机减重设计研究

提高航空发动机的推重比,使发动机最大程度实现轻量化,对微小涡喷发动机压气机的减重设计具有重要意义。对某实心压气机开展有限元计算,得到应力、变形等重要强度考核数据,作为减重优化的设计约束空间。在此基础上,借助等强度结构高强度、高刚度特性,对离心压气机盘的实心部分进行减重优化设计。对比优化前后压气机的承受载荷能力。结果表明:在Mises等效应力小幅增加、叶尖径向位移不显著增加的条件下,压气机减重可达20.3%。     

脉动背压下涡轮增压离心压气机入口流场试验

为了研究离心压气机在强脉动背压下的入口流场分布,研制了用于非定常流场测量的全自动二维步进装置。使用该装置结合一维热线风速仪测量了不同脉动频率、时均流量下离心压气机入口非定常流场分布。结果表明：背压脉动时,离心压气机入口速度与气流角在周向及径向分布形态均随背压变化呈大幅周期性振荡,且气流角在叶尖处的变化幅度显著高于叶根处。蜗壳上游周向角区内轴向速度显著低于下游,且该周向畸变强度随频率及时均流量增加而增强。径向气流角最大差异出现在约85%叶高处:小流量时最大气流角差异为8°,大流量时为12°。研究探明了脉动背压工况下离心压气机入口流场的非定常演化规律,为针对实际工况的压气机优化设计理论提供了试验基础。     

跨声速离心压气机多部件耦合优化扩稳

基于最优拉丁超立方采样、多项式代理模型、傅里叶幅值敏感性试验、梯度变异混合优化算法构建了跨声速离心压气机耦合优化方法,实现了自循环机匣处理扩稳的同时不降低等熵效率的目标。耦合优化后压气机气动性能全面提升,设计点和近失速点的等熵效率分别提高2.79%、1.82%,且峰值效率略高于实壁机匣压气机。耦合优化扩稳增效的机理是：自循环机匣抽吸流量增大,更多低能流体被移除;叶轮入口攻角改善,流动分离风险减小;前缘激波与叶尖泄漏涡干涉被抑制,叶轮下游低能流体减少,周向均匀性增强;机匣回流槽入射角增大,叶轮入口径向畸变被削弱;叶轮叶片尾缘安装角及扩压器有叶段尾缘半径的增大弥补了等熵效率损失;叶轮叶片前缘后掠角减小弥补了堵塞流量。     

轮毂处理扩稳的机理探讨

在单级轴流压气机上,用周向槽式处理机匣在静子内径处进行轮毂处理,与转子尖部机匣处理作类比。用小型5孔探针测试技术详细测量了在最佳工作状态和近失速边界状态下静子叶片排下游气流的三元流场,特别是其端部流场,发现对于转子叶尖失速型的级,在其静子轮毂处理也可以提高级的稳定裕度。并提出其扩稳机理与失速转移的关系,提出了周向诱导速度影响二次流的物理模型,进一步剖析了周向槽机匣处理的扩稳机理。     

雷诺数对轴流压气机转子非定常流动的影响

针对某轴流压气机转子,结合地面试验采用5通道的数值模拟方法在两个海拔高度下对该转子进行数值模拟,分析雷诺数(Re)对压气机中非定常流动的影响。在地面条件下数值模拟绝对坐标系下的频率均落于试验旋转不稳定(RI)的驼峰频率带宽范围内。相对坐标系下相邻通道的数值监测信号互功率谱证明了压气机中周向扰动的存在。该周向扰动的产生是泄漏流与叶顶载荷分布周期性相互作用的结果。高空20 km下压气机中存在特征频率不同的多个周向扰动。此时在叶片近吸力面的尾缘处存在较大范围的流动分离区,由此引起的径向低能流体与叶顶间隙泄漏流相互作用,并共同影响叶顶载荷分布,引起低雷诺数下压气机流动非定常性周向传播。      

亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

叶尖间隙对离心叶轮偏置分流叶片工作机理的影响

采用计算流体力学方法研究了不同叶尖间隙情况下偏置分流叶片提升离心叶轮性能的机理.叶尖间隙较小时,主叶片吸力面附近分离区导致主要损失,分流叶片偏向于主叶片吸力面利于削弱损失、提升叶轮性能;随着叶尖间隙的增加,泄漏流的影响增加以至损失集中于分流叶片和主叶片压力之间的通道,分流叶片宜向主叶片压力面偏置,以减少泄漏流在同一通道的聚集.叶尖间隙和分流叶片周向位置对间隙泄漏流、叶片吸力面分离形成的损失及相互关系有着耦合影响,分流叶片周向位置的改变可以调整通道的横向压力梯度、泄漏流掺混入主流的位置,改善分流叶片两侧通道的损失的分配,分流叶片最佳偏置方向随叶尖间隙的大小而发生改变.      

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.