篦齿封严结构气弹稳定性数值分析

针对航空发动机中篦齿封严装置的气弹稳定性问题,用所发展的气弹稳定性分析的能量法,考查了两种不同的篦齿封严结构模型的颤振特性,对比分析了在不同节径振动下的气动功分布和模态气动阻尼比。结果表明:能量法可以用于预测篦齿封严结构的气弹稳定性,通过数值计算给出了改进前后篦齿封严结构低阶振动模态的气动功和模态气动阻尼比,改进后的篦齿结构在2节径振型下不再发生颤振,说明改进后的结构比改进前的气弹稳定性更好。      

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。     

篦齿封严泄漏特性的实验

为了研究工程实际尺寸下篦齿封严泄漏特性,设计并搭建了篦齿封严实验台.在进出口压比为1.1~2.0的条件下,探究了节流间隙、齿数、齿腔深度和宽度等对篦齿封严泄漏量和密封腔内压力分布的影响.结果表明:泄漏系数随着压比和节流间隙的提高而增加,但压比达到1.6后,增加趋势逐渐变缓;增加齿数能显著提高篦齿的封严性能,但随着齿数变多,效果逐渐减弱;较浅和较宽的齿腔对于提高篦齿的封严性能更有利;进出口压比、节流间隙和齿腔深度对于篦齿腔内压力系数的分布几乎没有影响;篦齿腔内沿程压力不断降低,但在各齿腔内降低的程度逐渐减小;在篦齿封严中,越接近入口的齿腔对密封性能提高的贡献越大,对封严性能的优劣起着决定性作用.      

旋转状态下篦齿流量特性试验研究

篦齿是航空发动机中非常重要的密封流动单元。本文用试验方法研究了2齿和10齿直通型篦齿在旋转状态下的流量特性,获得了篦齿流量特性随进出口压比的变化关系,同时测量了不同转速下篦齿各齿间压力。结果表明:在低压比(<1.8)、低转速(<1 000 r/min)情况下,旋转对篦齿流量特性影响较小;但随着转速的升高,同一压比下,流量系数会降低,在转速2 500 r/min时,流量系数比静止状态时降低了约8%,齿间压力也有一定程度的下降。     

直通式篦齿封严特性的数值分析和试验研究

封严篦齿是航空发动机空气系统中的重要流阻元件.本文采用RNG k-ε噌湍流模型对典型直通式篦齿的封严特性进行了数值计算分析,获得了不同压比和封严间隙下篦齿泄漏流动的速度场和压力场.并对真实尺寸直通式篦齿在转、静态下的封严特性进行了试验研究,重点研究了压比(1.08～2.50)、转速(0～10 000 r/min)、相对封严间隙s/b(1.5、2.0)对流量系数的影响和齿腔内部的压力分布.结果表明,流量系数随压比和相对封严间隙的增加而增大,随转速的增加而减小;在高转速和小压比条件下,旋转对流量系数影响显著.     

篦齿封严装置减振方法研究及减振装置设计

本文研究了用于篦齿封严装置的干摩擦式阻尼减振器的减振原理,采用篦齿封严装置气弹稳定性分析方法,分别研究了用于篦齿封严装置的阻尼环和阻尼套筒的减振效果,并在此基础上提出了阻尼减振器的工程设计方法。研究表明,干摩擦式阻尼减振器可以有效地提高篦齿封严装置的气动弹性稳定性。     

直通型篦齿封严特性的试验

对真实尺寸下直通型篦齿的封严特性进行了试验,考察了几何参数及转速对篦齿封严特性的影响,结果表明:①在试验范围内,篦齿泄漏系数均随雷诺数的增加而增大;②泄漏系数随齿数的增加而降低;③同一雷诺数下,间隙较小时泄漏系数较大;④小间隙(s=0.4,0.5 mm)时,转速对泄漏系数的影响不大;间隙为s=0.6 mm时,转速影响泄漏系数的界限为2 000 r/min.      

航空发动机转子篦齿封严诱导的气流激振力分析

为了解航空发动机直通型篦齿封严诱导的鼓筒表面气流激振状态以及不同参数对其的影响,对航空发动机直通型篦齿封严诱导的气流激振力进行研究,对转子无偏心和有偏心两种情况进行数值仿真计算。定性分析不同偏心量、不同进动频率比对气动力的影响;利用数值计算结果确定篦齿封严诱发的气流激振力大小;根据不同进动频率下的静压分布可以进一步导出气动阻尼、气动刚度参数,得到篦齿封严转子的气动载荷边界条件。结果表明:无偏心时篦齿封严腔内的流动非定常性不明显,气流激振对篦齿封严转子的影响可基本忽略;转子存在偏心时流体腔内流动具有非定常特征,气流激振力将驱动转子进动运动;不同偏心量的静压值比无偏心量时最大可增长7%,静压幅值波动值随进动频率比增大而增大,最大可比进动频率比为0时增长达84%,对转子的动力学稳定性有一定影响。     

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。     

基于三维模型的偏心鼓筒气动特性分析

为了获取篦齿封严鼓筒齿腔内的压力分布,掌握鼓筒气动特性情况,建立了带封严篦齿鼓筒的三维流场通道模型,计算转静子同心和不同偏心量条件下鼓筒表面静压,分析气动载荷作用下鼓筒的力学特性.仿真结果表明:偏心量的变化使表面静压出现复杂变化,周向静压幅值变动明显,最大偏心量下的静压幅值比无偏心时增长3倍;偏心引起的周向静压波动使鼓筒应力幅值最大浮动3%左右.      

畸变进气压气机特性与气动稳定性的改进模拟技术及其实验研究

建立了预测畸变进气压气机特性与气动稳定性的改进多子区平行压气机模型。为了检验该模型的准确性, 进行了均匀及180°畸变进气下单级压气机特性与气动稳定性的实验研究。以实测的均匀进气单级压气机特性为基础, 应用改进的多子区平行压气机模型, 在与进气畸变实验完全相同的条件下, 对畸变进气单级压气机等转速线及其不稳定工作点进行了预测, 预测与实验吻合良好, 证明该模型是有效的。      

直通篦齿蜂窝封严结构的风阻特性试验

试验研究了直通直齿和直通斜齿与蜂窝衬套和光滑衬套4种组合的三齿两腔封严结构的风阻特性,得到了风阻特性随转速、压比、衬套和齿形结构的变化规律.结果表明:4种组合封严结构在低转速时风阻生热基本都可以忽略,转速在3000r/min到6000r/min之间变化时风阻生热引起的流体总温升随转速增大;采用光滑衬套时,泄漏流体流至首级齿腔处的总温升占进出口总温升比例维持在45%以上,而蜂窝衬套对气流黏滞作用大,低压比时首级齿腔总温升占进出口总温升的比例仅有20%左右,继续增加压比,首级齿腔处的总温升比例由20%增加到50%左右后保持不变;相同衬套时,斜齿比直齿具有较长的齿表面曲线长度,从而具有较高的风阻生热.      

篦齿式封严装置气动弹性稳定性研究

随着航空发动机对高性能、高推重比的要求 ,发动机上零部件的工作环境愈发恶劣 ,此时篦齿封严装置的稳定性问题则显得非常突出。该装置沿周向作节径型振动 ,在某些模态时 ,密封气体的气动阻尼可能为负值 ,使整个系统稳定性下降 ,甚至出现不稳定状态。本文采用双控制体模型计算篦齿封严装置的气动刚度和气动阻尼 ,然后应用有限元软件对篦齿式封严装置的稳定性进行了分析 ,获得了比较满意的结果     

蜂窝衬套对篦齿封严静力与动力特性影响机理研究

蜂窝衬套对篦齿封严的泄漏特性和动力特性有较大的影响。本文建立蜂窝衬套篦齿封严数值求解模型,在验证数值方法有效准确的基础上,研究了蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙及转速的变化规律,构造泄漏量理论公式;运用非定常动网格技术,建立多频椭圆涡动模型,分析了蜂窝衬套对篦齿封严泄漏特性和转子动力特性的影响机理。结果表明：蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙的增加而增大,随转速的增加略有减小;在大间隙工况下（封严间隙大于0.5 mm）,蜂窝衬套削弱气流的透气效应,减小泄漏量,对边距为0.8 mm蜂窝衬套篦齿封严的密封性能最佳。蜂窝衬套篦齿封严有着较大的直接阻尼和较小的交叉刚度,在高频涡动（频率大于120 Hz）时效果更明显;蜂窝衬套增大流场中的湍动能,增强气流能量的耗散速度,有利于提高封严性能;并且蜂窝衬套能够使周向压力分布更均匀,提高转子的稳定性。本文所构造的蜂窝衬套篦齿封严泄漏量理论公式,与数值仿真相对误差均在5%之内,能够准确地预测蜂窝衬套篦齿封严的泄漏量,满足工程实际需求。     

进气畸变下低速轴流压气机失速起始特性试验

为探索进气畸变对压气机失速起始特性的影响,本文以一台双级低速轴流压气机为研究对象,对均匀进气和多种进气畸变形式下的失速起始特性进行了详细研究。进气畸变包括1×90°稳态单波、2×90°稳态双波和1×90°周向旋转单波3种形式,压气机转速为600 r/min和800 r/min。试验结果表明,在均匀进气和固定进气畸变条件下该压气机均表现为模态波式失速起始特征,而在旋转畸变时观察不到失速前扰动信号。均匀进气时,失速前20～30个转子旋转周期即可观察到模态波的存在,其传播速度等于42%转子转速,并诱导产生旋转失速团,而且在失速发展过程中,失速团旋转速度保持不变。稳态进气畸变时,也是由模态波诱导产生旋转失速,但在失速团发展过程中,失速团的旋转速度会发生变化。旋转进气畸变时,失速前检测不到42%转子转速的模态波扰动,也没有发现尖脉冲扰动。     

典型阶梯篦齿高转速密封性能试验

在高转速密封试验设备上,进行了实际尺寸阶梯篦齿压比(1.05～28)、相对密封间隙(齿尖密封间隙和齿宽比)(24～40)、泄漏流雷诺数(1900～28000)及旋转速度(0～12000r/min)等对密封性能影响的试验。结果显示:篦齿流量系数随压比变大而上升,随相对密封间隙变大而降低;转速低于5000r/min时,旋转对篦齿流量系数影响不明显,高转速、小压比时,篦齿流量系数随转速的升高而降低,降幅超过301%;较小雷诺数下,篦齿流量系数随雷诺数的减小快速降低,雷诺数超过6000以后,篦齿流量系数受雷诺数的影响不明显;气流通过阶梯篦齿第一道齿的压力损失最小,通过最后一道齿的压力损失最大,通过中间各齿的压力损失相当。基于试验测试数据,修正了典型阶梯篦齿流量系数的求解关系式,修正后的关系式计算值与实测值吻合良好。      

带套齿联轴器转子稳定性分析

当套齿连接结构出现不对中或啮合不良时,转子存在着失稳振动的风险。针对套齿连接结构的特点,分析了带套齿转 子失稳模式。通过对整个迟滞周期积分,得到了套齿结构内阻尼系数的线性表达式;通过求解动力学微分方程得到了带套齿转子 失稳门槛转速,且失稳门槛转速在1阶临界转速以上,解释了带套齿结构的转子失稳机理。采用4阶Runge-Kutta法仿真得到了带 套齿转子发生内摩擦失稳的振动特征,探讨了套齿长度、不对中度、外阻尼以及摩擦系数等因素对失稳门槛转速影响规律。结果 表明：套齿长度和不对中度的增大都会加剧转子系统失稳,而外阻尼、齿面摩擦系数增大可以抑制转子系统失稳。其中,外阻尼对 转子稳定性影响最大。外阻尼增加后,失稳门槛转速增加了2000 r/min。     

总压畸变对压气机气动稳定性影响的整环数值模拟

为研究周向进口总压畸变对跨声速压气机气动稳定性影响的物理机制,采用整环三维定常数值计算方法对进口总压畸变条件下的NASA 37号转子进行求解。计算结果表明:周向进口总压畸变导致压气机稳定裕度大幅降低,设计转速时稳定裕度仅为均匀进气时的59%;畸变区与转子旋转速度相同时,位于畸变区的转子叶片进气速度、压力较小,当压气机工作点接近稳定边界时,该区域的叶片会出现叶尖泄漏流前缘溢流和尾缘倒流的现象,同时叶尖区域出现严重的吸力面附面层分离,叶尖泄漏流和吸力面附面层分离共同导致压气机失稳;周向进口总压畸变不会改变失稳的始发位置,但会影响失稳的原因。     

进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型

为了预估变循环发动机气动稳定性对周向进气畸变的响应,建立了进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型.采用带源项的二维非定常欧拉方程描述变循环发动机内部的流动,根据部件特性计算源项,采用时间推进法求解方程组.利用该模型分析了周向进气畸变沿某变循环发动机流路的传递和该发动机的临界畸变指数,计算结果表明:该模型实现了对进气畸变影响变循环发动机气动稳定性的仿真;进气畸变经过核心机驱动风扇级后有显著的衰减;核心机驱动风扇级对进气畸变非常敏感,易发生失稳,是变循环发动机抗畸变的薄弱点.      

动态畸变下轴流压缩系统失稳判别的统一准则

对动态畸变条件下多级轴流压缩系统气动失稳判别进行了详细的数值分析。基于动态压缩系统模型，发展了一种动态畸变下轴流压缩系统失稳判别的统一准则。应用新准则分别对进口动态温度、动态压力及动态动力—温度组合畸变下的多级轴流压缩系统的气动稳定性进行了预测分析。通过与实验结果的定性比较，给出了相应进气条件下压缩系统可能失稳的首发级。