轴流压气机内导叶/转子干涉对转子流场的影响

叶轮机械内的转静干涉现象多年来一直是一个研究的热点,然而现有的对于转 静干涉的研究多局限于对流动现象的描述,缺乏理论指导,因此无法在叶轮机械的设计体系 中包含这一非常重要的非定常流动现象,限制了叶轮机械性能的进一步提升.利用流动稳定 性及感受性理论来指导对这一问题的研究,能够找到利用这一现象提升叶轮机性能的规律. 对于一台单级低速轴流压气机内的导叶/转子干涉现象进行了实验研究.利用二维粒子图像 速度仪测量得到了导叶/转子干涉的定量流动细节,及其对于转子流场的影响.结果表明, 转子流场在定常来流条件下也表现出显著的非定常性.在引入导叶/转子干涉之后,转子流 场结构发生显著变化.动叶尾迹强度明显减弱,叶背流动分离得到抑制,叶尖泄漏涡也得到 了周期性的抑制.除了导叶尾迹对动叶流场的干涉作用以及气流角的周期性变化以外,动叶 非定常流动对于不同的导叶/动叶干涉激励频率的不同响应是引起压气机性能变化的主要原 因.      

等重量空心盘冷气布置方案

采用数值方法研究了双辐板涡轮盘(即空心涡轮盘)腔内的流动和换热结构.在空心涡轮盘与实心涡轮盘重量一定的前提下,按照转静腔和旋转腔冷气进气位置不同,提出几种组合进气方式的空心涡轮盘冷却结构,即:中心进气转静腔+中心进气旋转腔、中心进气转静腔+高位进气旋转腔、高位进气转静腔+中心进气旋转腔以及高位进气转静腔+高位进气旋转腔.计算结果表明:中心进气转静腔+高位进气旋转腔结构、高位进气转静腔+高位进气旋转腔结构与等重量实心盘及其它空心盘结构相比具有较好的换热效果,同工况下涡轮盘体积平均温度和最大径向温差在空心盘各结构中较低,但阻力损失较大.     

大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题,对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明,在近失速状态,转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性,其会对下游流场产生影响;第2个分离区主要表现出周向传播特性,其会作用于周向相邻的转子叶片,对转子叶排自身产生激励作用,进而影响叶片表面压力分布,引起叶片较强的动力响应,对叶片结构强度的影响不可忽略。非定常/流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等,在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视,以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。     

新型高推比涡轮风扇发动机盘时耦合振动分析

本文将群论算法和动态子结构技术结合起来，并采用计算效率极高的Ｂｅｎｆｉｅｌｄ－Ｈｒｕｄａ的模态代入变换法，分析了某型发动机压气机的叶片／轮盘耦合系统的振动特性，计算了该叶片／轮盘耦合系统的前５阶振动频率和振型．根据叶片／轮盘耦合系统的共振条件进行共振分析，确定该发动机压气机有可能发生叶片／轮盘耦合共振．     

压电结构系统机电耦合的强化与多阶共振抑制

提高压电系统的机电耦合程度可以提高压电分支电路对于结构机械振动的抑制效果.提出了一种可同时提高压电系统多阶模态机电耦合程度、进而实现对系统多阶共振进行控制的方法.首先通过对压电悬臂梁模型的理论研究揭示了将压电片的电极离散、并以不同方式连接可以导致系统的机电耦合程度发生改变的现象.在此基础上导出可刻划此现象的模态机电耦合函数;提出通过对模态机电耦合函数的优化寻求压电片电极的最佳离散方式和最佳连接方式,以获得对应某一模态的最大机电耦合函数值.为了对多阶共振抑制,提出引入选通电路,通过对含有选通电路的模态机电耦合函数的参数优化实现同时提高压电系统多模态机电耦合程度、进而抑制多阶共振的方法.结合数值实例对此方法进行说明.     

复合材料板件热分层分析及试验验证

针对飞行器用复合材料层合板件的热应力分层问题,进行了试验与数值模拟方面的研究.采用双线性内聚力单元用于模拟层合复合材料的分层现象;通过二次交互应力准则判断复合材料刚度降阶的起始点;并同时使用幂指数准则作为材料在混合破坏模式下的失效准则.数值模型中单层复合材料的力学性能和热膨胀性能分别由在高温（70℃）、室温（23℃）、低温（-50℃）环境下的相应测试进行确定.各复合材料层合试验件在仪器DIL-402C中经历了相同的温度变化过程,最大温差相差120℃.试验后发现,对于给定铺层的试验件,其两端中间层发生了层间分层.将数值模拟的结果与试验结果进行对比,对比结果表明数值分析与试验结果吻合良好,由此也可证明此分析方法的可行性与正确性.     

共用支承-转子结构系统振动耦合特性分析

针对带有涡轮级间共用承力框架的转子系统,为准确描述转子-共用支承-转子（简称共用支承-转子结构系统）之间的振动特性,采用转子截面横向和角向振动特性耦合动力学模型,振动耦合产生机理及影响规律进行研究。理论分析结果表明:转子支点的动态响应对其他转子的支点动刚度特性及转子振动响应特性具有一定影响,共用支承结构振动响应对转子系统振动特性的计算误差超过10%,因此,在共用支承-转子结构系统的临界转速和振动响应计算分析中,需要考虑2个转子与共用支承结构的振动耦合影响。对于涡轴发动机共用支承-转子结构系统的有限元仿真计算结果表明:由于存在共用承力框架,2个转子之间将发生振动耦合,系统产生耦合振型,某一转子转速将会影响另一转子所激起的系统共振临界转速;并对共用承力框架结构的隔振特性也有影响,2个转子共同激励下振动响应与转子单独激励相比,在承力框架安装边上的动载荷以及载荷传递系数均大幅度提高。      

哈密顿体系下功能梯度压电板/管静动力三维解

根据哈密顿原理建立了三维压电动力学耦合系统的哈密顿对偶体系,将经典的弹性力学一类变量问题转化为二类变量,并建立了哈密顿正则方程组.分别在不同坐标系下研究了功能梯度压电材料FGPM(Functionally Graded Piezoelectric Material)四边简支板及两端简支管的静动力学特性,通过辛算法进行了数值分析.结果表明,在哈密顿对偶体系中能够求解复杂FGPM结构机电耦合静动力学问题;在FGPM多层板/管结构中,面外变量在厚度方向连续分布,而面内变量在材料分界面处存在突变现象.      

气膜密封阻尼结构的气膜稳态特性分析

针对航空发动机等高速旋转机械的气体动密封和转子系统的振动问题,提出一种新型的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构,其作用是在转静子之间建立气膜用于阻尼和封严,高弹性阻尼材料的外环用于控制气膜的动力特征.基于准静态法建立转子-气膜-金属橡胶外环三者之间的流固耦合关系,采用有限差分法求解气膜压力场,得到表征气膜密封阻尼结构稳态特性的气膜力、泄漏量和摩擦转矩随参数变化的规律.计算结果表明:弹性外环能有效地改善气膜压力场的分布.具有良好稳态性能的结构参数选取范围应结合实际工况确定.在给定的工况条件下,长径比取1.5,密封间隙取0.05mm,柔性系数在2左右为佳.      

回旋波共振加热加速的多重离子流体模型

在回旋波共振准线性理论基础上建立了自恰描述质子和氧离子各向异性温度和整体速度的双离子流体模型,求得数值解,并与UVCS观测相比较.发现在波谱斜率固定的假设下,模型的数值结果虽然与观测有相同趋势,但不能在误差范围之内解释全部观测现象.进一步的研究需要考虑波谱形状的自洽演化.      

不对称静子尾迹流场激振力分析及计算方法

为降低转子叶片在前排静子尾迹流场激振情况下的动应力,提高转子叶片疲劳寿命,对不对称静子叶片分布进行流场分析,研究在不对称静子分布非谐情况下,转子所受到的尾迹流场的激振力频谱及幅值.研究表明不对称静子分布非谐设计下,转子所受到的激振力由静子均布情况下的单频率高幅值激振转变为多频率成分低幅值激振力,通过对各个频率成分幅值的计算分析,得到了不对称静子分布非谐设计可有效降低转子叶片受到的尾流激振力,提高疲劳寿命的结论.同时,对不对称静子分布的三维流场计算,提出了简化计算方法,可大大降低计算时间和对计算机硬件要求.      

动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却的影响

为研究动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却效果的影响,选取AGTB涡轮叶栅作为研究对象,匹配前排导叶并对整级叶栅进行非定常数值模拟。对不同时刻流场截面的流动情况以及叶片表面温度随时间的演化规律进行了详细的分析,此外,总结了尾迹和势干涉对下游叶片气膜冷却的影响。主要结论如下:导叶强烈的势干涉作用在幅值为12°的范围内改变下游叶片的入射角,对冷却射流有非常大的影响;尾迹和势干涉作用诱导冷却射流的"上扬"现象,并使其冷气流量增加20%以上,有利于提高瞬时的冷却效果;势干涉对前缘冷却射流的作用时间约为1/2个静子周期,尾迹的作用时间约为1/6个静子周期,前者作用时间长,且效果更强。受到输运效果的影响,整个叶片冷却效果的变化与气膜孔射流状态的变化不是同步的,滞后时间可达1/3个静子周期甚至更长。      

30°预旋进气旋转盘流动与换热特性的实验

用实验的方法对具有30°预旋进气的旋转盘附近冷气流动与换热特性进行了研究,得到了静 盘表面压力、转盘表面温度、局部努赛尔特数的分布及平均努赛尔特数的变化.结果显示静 止盘罩表面的压力随着半径的增加而增加,随转速的增加而增加.转盘表面的局部努赛尔特 数在r＜0.7R的区域基本不变, r＞0.7R的区域里, 局部努赛尔特数随r的增加而增大.该预旋 角情况下,进气雷诺数对盘面平均努赛尔特数的影响大于旋转雷诺数.     

转静干涉对转子叶片颤振特性的影响

在不同气动工况、不同几何模型下,采用自行开发程序对全环多排的高压压气机进行了流固耦合数值模拟,分析了进口导流叶片(IGV,以下简称导叶)对转子叶片颤振稳定性的影响。通过对气动弹性标准算例4的数值模拟验证了程序在颤振领域的有效性。针对导叶-转子模型和单转子模型,考察了近堵塞点、近设计点和近失速点3个工况下,节径变化对叶片颤振稳定性的影响,给出了气动弹性最不稳定状态对应的叶片振动形式。通过对比发现,导叶作用随工况而异,近堵塞点导叶使得转子1阶弯曲模态气动阻尼提高130.63%。研究表明:导叶引起的非定常压力波反射增强了转子叶片的非定常压力扰动幅值,使得弯曲振型的颤振稳定性增强。基于单转子模型的颤振分析给出了不准确的气动阻尼值。      

适于时变幅值分析的直升机黏弹减摆器模型

针对现有适于宽幅值范围的黏弹减摆器模型一般含有动幅值参量,不便用于幅值变化的直升机旋翼/机体耦合动稳定性时域分析的问题,给出了小摆振阻尼比时,黏弹减摆器在单频及双频条件下动幅值参量的计算方法,运用该方法计算系统在收敛、中性稳定及发散3种情况下的幅值曲线,较好地反映了响应幅值在时域上的变化趋势。将改进的黏弹减摆器模型用于直升机地面共振非线性时域分析,为准确获取旋翼摆振后退型响应,给出了所需桨叶激振力矩的计算方法,在不同转速不同复模量状态下,采用该方法确定的激振力矩对桨叶进行激振激出的响应幅值与预期值误差不超过6%。对摆振后退型响应进行分析可知,系统稳定时,与线性化结果相比,计入黏弹减摆器非线性后,旋翼摆振后退型响应衰减更快,其模态阻尼在时域上呈增加趋势。      

静叶角度调节对组合压气机性能优化机理

采用流线曲率法求解组合压气机的准三维流场,在叶片排前后缘及中间设置计算站,使用样条函数拟合流线;根据组合压气机结构特点,发展了适合其特性计算的损失、落后角模型及计算程序;将特性计算程序与导、静叶角度优化调节方案相结合,确定出不同设计转速下,导、静叶最佳调节角度组合.在90%设计转速,近最高效率点处,利用全三维的数值模拟手段分析了组合压气机导、静叶最佳角度调节前后流场结构变化.研究结果表明:导、静叶角度调节削弱了压气机叶片排中的激波强度,减少了损失,同时能抑制气流的分离,明显改善组合压气机的流场结构.      

高位垂直进气旋转盘非稳态换热的实验研究

用实验的方法对高位垂直进气的转静系旋转盘在非稳态情况下的流动与换热特性进行了研究,主要研究了冷气流量系数和旋转雷诺数的变化对盘面温度和平均努塞尔数的影响.结果发现:冷气流量的改变对盘面的换热影响非常明显,盘面各点温度随时间的变化率是相同的;旋转雷诺数增加使盘面平均努塞尔数增大,旋转雷诺数变化的方式导致盘缘区域温度随时间的变化率与中心区域的不同.      

直升机旋翼/动力/传动系统模型及耦合影响

为了提供有效的避免系统共振的设计措施,针对某型直升机的实际情况建立了该型号直升机的发动机、传动系统与旋翼、尾桨组成的机械扭振系统的分析模型.用特征分析和阻抗匹配方法对系统各个模态固有特性包括固有频率和振型进行了对比计算和结果分析.研究了模态固有特性在扭振系统耦合前后的变化,以及旋翼变转速对孤立桨叶和耦合后旋翼固有特性的影响,得出了避免系统共振的设计措施.