高速高压燃油齿轮泵典型卸荷槽对比分析

卸荷槽是缓解齿轮泵困油的有效措施,其设计合理与否直接影响齿轮泵的工作效率和寿命。本文给出了一种基于计算流体力学（CFD）的卸荷槽性能分析方法,重点开展了多种不同结构形式卸荷槽的性能对比研究,从困油压力、气体体积分数、出口流量、流量不均匀系数等多个技术指标评估对比了不同结构卸荷槽的工作性能。研究对比结果表明,卸荷槽F的结构形式与矩形、圆形及卸荷槽E相比综合性能最优,流量不均匀度仅为5.25%,困油压力峰值为18 MPa,具有困油压力小,容积效率高,流量品质高等优点,适用于高速、高压燃油齿轮泵方案设计;此外,在卸荷槽设计时,通过增大低压腔卸荷槽面积以及卸荷槽向低压腔偏移,有助于空化的抑制,并且能缓解困油,降低流量脉动,在新型卸荷槽F的结构设计时考虑该因素,可进一步提升卸荷槽的综合性能。     

动压式环瓣浮环密封特性及摩擦磨损研究

普通接触式环瓣浮环密封高速下不开启易造成磨损失效,动压式环瓣浮环一定转速下径向开启并保持无摩擦无磨损稳定运行,具有较好的应用前景。建立动压式环瓣浮环密封固体域及流场数值计算模型,计算开启阻力、开启力、泄漏率及温升,分析动压槽结构参数对密封开启的影响,讨论密封性能随槽型参数的变化趋势。基于数值分析优化参数,试验验证开槽前后密封的泄漏率及温升,讨论不同开启情况下密封的磨损特性。结果表明：优化的动压槽能可明显改变主密封间隙中的压力分布,提高流体动压力,实现开启,使密封高速下稳定无摩擦运转并保持较低的泄漏率,大幅度降低摩擦温升,改善密封的摩擦磨损。动压槽最佳深度宜为3~5μm,密封具有较大的开启力;槽宽增大开启力先增大后变缓,过大的槽宽对提高开启力不明显;工作压力增加密封开启难度增加,可通过增加槽数或提高转速实现开启;动压槽的槽深较大时,密封先迅速磨损后逐渐稳定,具有自磨损、自稳定的特点。研究结果为动压式环瓣浮环密封的结构设计和工程应用提供了参考。     

月球钻取采样机构的钻杆结构与运动参数分析

针对月球钻取式自动采样机构空心外螺旋钻杆取样过程,分别建立了月壤内聚力和月壤内摩擦系数随月壤深度变化的数学模型,建立了钻进过程中钻杆运动参数(钻进速度和钻杆转速)与钻杆结构参数(钻杆螺旋升角、外径、槽宽比和螺旋槽深等)之间的关系。建模过程考虑了月壤物理和机械特性随钻进深度变化特性、钻杆钻进牵连速度及月壤微元相互间的抗剪性,使得钻杆参数符合月球钻取采样的实际工况。对模型进行了验证,利用该模型开展了钻杆结构参数对运动参数的影响分析,给出了钻杆结构参数对钻杆运动参数的影响规律,获得了钻杆结构参数的最佳取值范围。以钻杆转速与钻进速度比最小为优化目标,以结构参数为设计变量,基于遗传算法对钻杆结构参数进行了优化,优化后的钻杆转速与转进速度比降低了13.8%。该优化结果降低了系统能耗,提高了钻取采样输月壤效率,可为钻取式自动采样机构的设计提供理论依据。     

高频高速流体振荡器工作特性

设计了一种新型高频高速流体振荡器,并采用热线风速仪、高频动态压力传感器等测量手段,对其频率-压力响应特性、速度-压力响应特性及内部压力传播特性进行了实验研究。结果表明:设计的流体振荡器工作频率约为900 Hz,进出口压比为2时,其出口射流速度范围为75~239 m/s。建立了振荡周期/频率与内部尺寸的关系式,验证了振荡器内部的压力传播与反射机制,并用压力的作用机制解释了射流偏转的两个阶段,为今后设计不同流动条件下所需的流体振荡器提供了设计思路。      

轴承腔气相介质流场的理论与试验

采用有限元数值分析和试验研究的方法,研究了航空发动机轴承腔气相介质的压力场和速度场,探讨了转子转速和密封进气量等工况参数对轴承腔气相介质压力和速度分布的影响规律,研究工作表明:轴承腔气相介质压力随着转子转速、无量纲径向坐标、密封进气量的增加而增高;气相介质无量纲切向速度随着转子转速增高而增大,随着密封进气量增大而减小.试验结果表明:随着转子转速和密封进气量的增加,气相介质压力的试验结果与计算结果吻合性均增高.通过计算和试验揭示出的工况参数对轴承腔气相介质压力的影响规律,有助于轴承腔气相介质流动物理特性研究的完整性.      

高速低温动静结合型机械密封结构优化及运转试验

在分析高速涡轮泵轴端非接触动静结合型机械密封所处的高速、低温、高压力、低黏度介质润滑等极端工况基础上,发展了考虑密封副固体、被密封流体、弹性补偿支撑单元等在内的热、流、固、力耦合的密封综合性能求解模型。基于此模型,完成了对处在低温、低黏度润滑介质下的机械密封运转性能的分析及关键结构参数的优化,优化的目标为密封承受载荷力W和泄漏量Q为最大及液膜产生的功耗（或温升）较小。以优化后的密封样件开展了低温液氮模拟介质运转试验,考察优化后密封在低温条件下的快速启动特性和摩擦特性。结果表明:低温高速工况下的密封外人字槽和内螺旋槽组合结构的槽数为30、槽深为3μm为一类优化结果,低温运转试验表明正常工作时端面摩擦因数为0.14。      

指尖密封泄漏特性数值计算与试验研究

为了研究不同压差和转速下指尖密封的泄漏特性,建立了CFD多孔介质数值计算模型,计算分析了某型航空发动机指尖密封泄漏特性。为有效验证数值计算模型的有效性,进行了一定压差、转速工况下指尖密封泄漏特性试验。针对压差和转子离心膨胀导致的多孔介质参数改变,根据试验结果对计算方法进行了分析,引入了压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k,并对修正系数进行了确定及验证。结果表明,未引入压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k时,计算得到的指尖密封泄漏特性与试验值会随着压差和转速的增加而偏离;引入压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k后,计算结果与试验值一致,未随着压差和转速的增加而偏离,最大偏差小于11%,平均偏差小于6%。     

航空齿轮泵滑动轴承接触状态流体润滑特性

针对航空齿轮泵处于高负荷状态齿轮轴-轴瓦润滑间隙的润滑问题,将CFD仿真与齿轮轴刚性模型相结合实现了基于CFD径向运动分析的瞬时润滑计算。得到了齿轮泵瞬态场影响下的齿轮轴径向微动情况,在此基础上基于轴承三维热流体润滑计算模型和微凸体接触模型实现了对润滑油膜在高偏心接触状态的特性分析。结果表明:齿轮泵CFD仿真结果与试验结果的误差小于10%,而仿真得到的内流场的瞬变性将通过改变齿轮轴所受径向载荷的波动形状从而影响到轴承的润滑特性。通过对轴承润滑模型的数值计算发现:相比于非接触状态,轴承处于高偏心接触状态时介质的高温、低黏现象加剧。     

一种槽道式处理机匣的准定常流动模型Ⅱ: 跨声转子处理机匣的优化设计

对带气室的槽道式处理机匣的结构进行了参数化,然后采用所发展的处理机匣流动模型对槽道式处理机匣进行了数值模拟分析,获得了槽道式处理机匣各主要结构参数对处理机匣扩稳作用和转子效率的影响.基于原基准处理机匣,并选取各个结构参数经分析得到的最优值设计了一个优化的处理机匣.实验结果表明：优化的处理机匣设计在60%,80%,98%设计转速下都在原基准处理机匣的基础上进一步提高了转子的失速裕度,并且带有优化处理机匣的转子峰值效率比基准处理机匣、甚至实壁机匣的情形都有所提高.另外,为考察处理机匣槽道数的影响,对一个在优化处理机匣的基础上缩减槽道数而得到的处理机匣设计也进行了实验研究.     

驻涡式处理机匣对跨声速压气机扩稳的数值模拟

提出了一种驻涡式处理机匣结构,通过叶片通道前后以及叶片压力面和吸力面共同作用的压差,驱动流体产生回流.将通道后部的附面层流体吸除,然后在叶片前缘注入,增大叶尖泄漏流内的动量,从而达到扩稳的效果.该设计将抽气槽与喷气槽的方向和主流流动方向设计成一致方向,以减少掺混损失.此外,该处理机匣在轴向上完全在转子叶片内部,不需要前伸量,因而可以方便地应用于多级压气机中的任何一级,而不会和静子叶片发生干涉.通过数值模拟对这一设计进行了验证,结果表明该处理机匣可以扩大跨声速压气机转子裕度17.39%,而对效率不会产生明显的影响.      

航空发动机滑油泵高空性分析

从流体力学角度,对滑油泵的高空性进行了系统的理论分析:阐述了其产生原理,推导了各种影响因素之间的关系式,得出了如下结论:泵前总阻力系数、滑油密度、油泵设计流量越小,入口管径越大,越有利于保持泵的高空性;而对于转子泵,内齿轮1齿扫过的面积越小,内齿轮齿数越少,内齿轮转速越低,转子宽度越小,越有利于保持高空性;对于齿轮泵,模数和齿数越少,转速越低,转子宽度越小,越有利于保持高空性。反之,则不能保持高空性。     

飞机结构强度试验应急载荷限定系统

多轮多支柱起落架飞机主起落架数量较多，试验机及试验设备重量大。试验应急卸载时，试验件和设备重量、以及加载过程中试验件变形所聚集能量快速释放的不协调性易对支持点结构产生较大冲击载荷，且该载荷不可控，影响试验的考核，存在安全隐患。针对多轮多支柱起落架飞机的强度试验要求，设计一种载荷限定系统。在应急卸载或者试验停试情况下，能够为非支持点起落架输出设定载荷，保证应急瞬间所产生的所有载荷按要求分配到所有起落架上，从而防止支持点起落架超载；试验过程中，能够对非支持点起落架施加试验主动载荷。利用仿真软件验证了系统原理的可行性。依据原理设计载荷限定系统，对其结构和工作性能进行应用验证，并在某型飞机全机疲劳试验中进行应用调试，结果表明，该系统完全能够满足试验要求。     

Performance optimization of grooved slippers for aero hydraulic pumps

A computational fluid dynamics(CFD) simulation method based on 3-D Navier–Stokes equation and Arbitrary Lagrangian–Eulerian(ALE) method is presented to analyze the grooved slipper performance of piston pump.The moving domain of grooved slipper is transformed into a fixed reference domain by the ALE method,which makes it convenient to take the effects of rotate speed,body force,temperature,and oil viscosity into account.A geometric model to express the complex structure,which covers the orifice of piston and slipper,vented groove and the oil film,is constructed.Corresponding to different oil film thicknesses calculated in light of hydrostatic equilibrium theory and boundary conditions,a set of simulations is conducted in COMSOL to analyze the pump characteristics and effects of geometry(groove width and radius,orifice size) on these characteristics.Furthermore,the mechanics and hydraulics analyses are employed to validate the CFD model,and there is an excellent agreement between simulation and analytical results.The simulation results show that the sealing land radius,orifice size and groove width all dramatically affect the slipper behavior,and an optimum tradeoff among these factors is conducive to optimizing the pump design.     

二维活塞航空燃油泵容积效率分析

提出了一种二维活塞燃油泵，该泵利用二维活塞的旋转运动将配流机构集成到活塞上，去除了传统柱塞泵独立的配流机构，简化了泵的结构、提升了泵的功率密度，而且由于主要运动机构采用了滚动轴承支撑，免除了滑动摩擦副及其产生的泄漏，提高了效率。对泵的容积效率进行理论分析和实验研究。结合泵的结构原理分析了造成容积损失的内泄、外泄及油液压缩性等3种主要原因；应用层流和紊流的缝隙流动基本理论推导出泄漏解析表达式，着重分析了不同配流开口形式产生的内泄漏；综合考虑油液压缩性和泄漏获得了容积效率数学模型。理论研究表明采用负开口配流形式可以有效减小内泄漏，定量分析了泄漏流量与负开口量的关系，同时利用Fluent进行配流过程中泵腔内的流场数值模拟，结果表明可以有效减小油液倒灌。为了验证理论分析的有效性，制作二维活塞燃油泵样机，以航空煤油为介质进行台架实验。样机实验结果表明在负载压力2 MPa，转速从1 000 r/min到5 000 r/min，容积效率从93.6%提升到98.1%；当转速为2 000 r/min，负载压力从1 MPa增大到5 MPa，容积效率从97.5%降低到92.3%。以现有的齿轮泵和柱塞泵相比容积效率显著提高，理论与实验的结果偏差在4%以内，表明理论分析的有效性和正确性。     

基于降维负载转矩观测器的调速系统控制技术研究

针对高精度电动燃油调速系统在负载突变工作时燃油增压与燃油流量调节的稳定性问题,研究了前馈补偿控制策略,提出了一种基于降维负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法。该方法实时对电动调速系统的同步电机输出转速与负载转矩进行观测,并将观测到的负载转矩补偿到同步电机交轴电流,实现闭环调速控制,从而避免了负载扰动影响系统输出转速,减小电动燃油泵对燃油的压力与流量的影响。仿真和试验结果表明,在快速加载与卸载实验条件下所提出的方法的正确性与可行性。     

航空燃油齿轮泵滑动轴承非线性瞬态性能数值分析

为研究航空燃油齿轮泵滑动轴承在复杂交变载荷扰动下的瞬态润滑行为,建立了燃油齿轮泵滑动轴承的瞬态计算模型。该模型考虑了滑动轴承油膜空化边界的质量守恒和其所处非线性动态承载环境的影响。在此基础上使用批处理技术实现了燃油齿轮泵和滑动轴承的联合仿真计算,在滑动轴承的瞬态润滑计算过程中计入了燃油泵瞬态内流场和其动态载荷的耦合作用。以此进行了恒定载荷和动态载荷工况下的轴心轨迹稳定性分析以及轴承瞬态润滑性能分析研究。研究结果表明：滑动轴承计算模型的计算结果与实验数据较为吻合,误差保持1.2%以内;燃油齿轮泵的动态载荷对轴心轨迹的影响体现在轨迹启动段偏移的增大以及静平衡位置的消失;通过不同关键参数的对比研究发现：合理的增大宽径比或减小间隙比可以获得更为理想的轴心轨迹静平衡位置,但对于轴承转子运动的稳定性,间隙比由0.2%增至0.6%时,未稳定阶段轴心位置的变化趋势由双峰变为单峰,速度稳定段曲线的波动幅值先增大后趋于不变;当宽径比由0.6增至1.2时,全周期内速度响应曲线的偏移降低,轴心运行的稳定性提高;在轴承瞬态润滑特性中对于轴承载荷变化泄露流量具有的敏感性较强而最小油膜厚度的敏感性较差。     

一种新型液压泵变排量机构的设计与仿真

为提高一体化电液作动器(EHA)的性能,对新型EHA中广泛使用的变排量液压泵中的变量机构进行了优化设计。采用锥蜗轮蜗杆传动代替了原来的齿轮传动体系并与泵壳体进行了一体化设计,采用solidworks进行了三维实体化建模,运用AMESim搭建了改进前后EHA系统的仿真模型并进行对比分析。经过仿真实验,改进后的EHA系统在整体刚度提升了31%,频率响应提升了11.2%,显著改善了系统性能,验证了设计的正确性。     

某型无人机起落架放下阶段缓冲器气液流动特性研究

在设计飞机油气混合型式的可收放起落架时,应充分考虑其内腔之间的介质流动特性。以某型无人机起落架缓冲器阻尼孔径、充油量为研究对象,采用单因素实验法对各因素引起的缓冲器内部气液流动变化进行分析,通过Fluent软件对放下阶段不同阻尼孔径、充油量下的缓冲器气液特性进行仿真计算。结果表明：起落架放下过程缓冲器阻尼孔油液流量只与孔径大小有关,不受缓冲器充油量影响;在该型号无人机要求的637 mL充油量下,缓冲器阻尼孔孔径应大于6 mm;对于其他型号起落架缓冲器,当确定了充油量后,应将满足放下阶段缓冲器气液充填作为缓冲器阻尼孔设计标准之一。     

起落架有限元梁模型建立及其静力学分析

为了获得起落架载荷传递以及评估几何非线性和静不定对起落架载荷传递的影响,同时探索起落架结构有限元梁模型的建模方法,应用HyperMesh和Ansys联合仿真的方法搭建某型具有局部静不定特征的前起落架、主起落架有限元梁模型;使用此模型进行三种载荷工况的静力学计算,获得考虑静不定和几何非线性的起落架接头和截面载荷,以及在单位载荷作用下起落架的航向、侧向和扭转刚度,并与传统方法计算结果进行对比.结果表明:有限元方法和传统方法获得的接头载荷有差异,部分差异超过了±10％,最大差异达到30％;计算前起落架外筒横梁、斜梁截面内力的传统方法及其简化具有合理性,对起落架支柱设计具有指导意义.