航空弧齿锥齿轮风阻损失机理与影响因素分析

基于计算流体动力学（CFD）理论,采用剪切应力输运（SST） k-ω湍流模型及多参考系旋转模型（MRF）技术和Coupled解耦算法,仿真分析了单个弧齿锥齿轮周围的气流特性及齿轮风阻损失机理,研究了齿轮转速、旋转方向及挡风罩配置对风阻功率损失的影响规律。然后利用正交试验分析方法进行数值模拟仿真分析,研究挡风罩与齿轮齿面、大端及小端之间不同间隙值时的风阻力矩,对数值仿真数据进行方差分析与拟合得到齿轮风阻功率损失与间隙值的函数关系,结果表明:挡风罩间隙值均为1 mm时,风阻力矩最小,降低风阻功率损失的效果最好。利用最优化分析方法给出了挡风罩与齿轮间隙值的单目标最优参考值,为进一步研究挡风罩间隙值多约束下的多目标优化提供了理论基础及研究方法,也为挡风罩的工程应用提供了参考。      

基于齿面摩擦的非对称齿轮支座反力分析

以一对双压力角非对称渐开线直齿减速齿轮机构为研究对象,在考虑齿面摩擦的情况下,通过对轮齿的单双齿啮合情况进行受力分析,建立齿轮支座反力的数学模型,并给出了任意齿间载荷系数下齿轮支座反力波动程度的评价指标.研究表明:齿面摩擦是导致齿轮支座反力波动的影响因素之一;可通过提高齿面加工精度,合理润滑,减小压力角及适当增大驱动轮...     

基于齿面摩擦的非对称齿轮支座反力的研究

齿轮支座反力的波动大小不仅影响到轮齿的啮合效果,还将影响到齿轮的传动性能。本文以一对双压力角非对称渐开线直齿减速齿轮机构为研究对象,在考虑齿面摩擦的情况下,通过对轮齿的单双齿啮合情况进行受力分析,建立齿轮支座反力的数学模型,并给出了任意齿间载荷系数下齿轮支座反力波动程度的评价指标。研究表明：齿面摩擦是导致齿轮支座反力波动的影响因素之一;可通过提高齿面加工精度,合理润滑,减小压力角及适当增大驱动轮的齿数等措施来降低齿轮支座反力的波动。     

非正交弧线齿面齿轮齿宽设计

以弧线齿圆柱齿轮为假想刀具,基于齿轮啮合原理提出一种非正交弧线齿面齿轮,并对该种面齿轮单齿全齿面进行数学建模,计算出有效齿宽,通过Catia二次开发对计算得出的齿宽数值进行验证,通过改变轴交角及压力角的大小来讨论该种面齿轮齿宽的变化规律,结果表明:当轴交角不断增加时,内径与外径逐渐增大,且外径变化的曲线上升幅度要比内径更加明显,从而有效齿宽不断增大。随着压力角的不断增加,内径与外径逐渐减小,内径变化曲线下降的幅度比外径大,故有效齿宽逐渐增大。     

干运转下连轴弧齿锥齿轮的瞬态热分析

为了模拟干运转下弧齿锥齿轮的温度场,根据齿轮啮合原理并考虑热量向轴的传导建立了连轴弧齿锥模型。在对热源、热传导和对流换热参数分析的基础上,建立了连轴弧齿锥齿轮瞬态热分析模型,得到了两种转速下的瞬态温度场和温升曲线,并与传统单齿模型的计算结果进行了对比。结果表明:5kr/min转速下的最终温升和温升速率相较于3kr/min转速下的结果明显更高,且两种转速的齿面温度之差沿啮合点向两端逐渐减小;在最初的5s内,单齿模型的计算结果与连轴弧齿锥模型基本一致,但随着时间的推移单齿模型的最高温升相比于连轴弧齿锥模型将更高。     

弧线齿面齿轮应力过程分析

为了给弧线齿面齿轮的齿面接触强度和齿根弯曲强度设计提供理论依据,研究了弧线齿面齿轮的齿面接触应力和齿根弯曲应力随载荷和安装误差的变化规律.在齿面接触分析和承载接触分析的基础上应用弹性理论计算了弧线齿面齿轮副的齿面接触应力和应用有限元应力影响矩阵法计算了该齿轮副的齿根弯曲应力.给出了数字计算实例,计算结果表明:齿面接触强度和齿根弯曲强度在重载时的接触强度和弯曲强度由单齿啮合区的强度决定,轴向安装误差和轴夹角安装误差分别会增加齿面接触应力和齿根弯曲应力,轴夹角安装误差和轴间距安装误差对齿面接触应力影响甚小,而轴向安装误差和轴间距安装误差可以降低齿根弯曲应力,与直齿面齿轮相比,弧线齿面齿轮的接触和弯曲应力明显减小.      

螺旋双曲面齿轮修形及啮合特性

为了改善螺旋双曲面齿轮啮合特性,对小轮齿面进行修形设计.用抛物线齿廓的产形齿条展成修形插齿刀齿面,模拟插齿刀和被加工齿轮的啮合运动关系,建立齿轮齿面的数学模型;根据两齿面在啮合过程中连续相切条件,建立了考虑安装误差的轮齿接触分析(TCA)模型;齿轮副的啮合仿真结果表明,刀具齿廓抛物线修形可以获得中凸的抛物线传动误差,调整修形参数可改变传动误差幅值和对称性;轴交角的变化影响齿轮副的重合度、接触椭圆、安装误差敏感性.      

基于数值的弧齿锥齿轮齿面啮合点位置分析的拟赫兹法

在已知弧齿锥齿轮齿面网格的条件下,分析了单齿啮合时弧齿锥齿轮齿面弹性变形对轮齿啮合点位置的影响。为此,首先形成一整套刚性齿面啮合点的数值计算方法;然后,采用赫兹接触理论计算齿面弹性变形,确定齿轮轮齿的微小转动及由此引起的啮合点位置的变动。将齿轮因齿面变形而产生微小转角,继而进行齿面啮合分析的过程定义为拟赫兹接触分析。结果表明,齿面弹性变形引起的齿轮轮齿的微小转动对啮合点的最终位置有一定的影响。      

弧线齿面齿轮齿面接触分析

为了提高面齿轮副的强度并解决其磨齿问题,提出了弧线齿面齿轮副的一种新的加工方法,并研究其啮合特性.用有刀倾的刀盘旋转而成的切削面作为假想齿轮的齿面,模拟产形齿轮和被加工齿轮啮合过程.推导弧线齿面齿轮副齿面方程;根据两齿面在啮合过程中连续相切条件.建立了考虑安装误差的轮齿接触分析(TCA)模型;齿轮副计算机啮合仿真结果表...     

混合润滑条件下的星形人字齿轮系统温度场

针对星形人字齿轮系统,采用热弹流润滑理论和粗糙峰接触计算方法获得不同表面粗糙度下齿面各啮合位置的油膜承载比例及摩擦因数,结合齿面接触载荷和滑移速度计算,分析齿面热流密度分布状态;借助齿轮系统喷油润滑流场仿真得出系统油液分布及齿轮表面传热系数;基于流体动力学仿真和混合弹流润滑分析结果,建立齿轮系统稳态温度场有限元模型,仿真研究各齿轮表面的温度分布规律。结果表明:啮合区中心油膜越厚油膜承载比例越高;综合摩擦因数受几何参数和载荷影响,内、外啮合齿轮副从节点处向齿顶齿根位置摩擦因数呈先增大后减小趋势;太阳轮啮合频次高且散热较慢,温升高于其他齿轮,高温区位于齿顶和齿根,随粗糙度增大太阳轮温度明显升高。     

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.      

齿位置对压气机级间封严影响的数值研究

通过对压气机级间封严不同齿位置时的流场和温度场进行数值模拟,获得其泄漏特性、旋流特性和风阻温升特性.研究单齿、双齿和三齿的相对位置对级间篦齿封严的流量系数、出口旋转比和风阻温升的影响.结果表明:单齿情况下,单齿在下游时的流量系数最小,出口旋转比和风阻温升最大.双齿情况下,上游和下游各一齿时的流量系数最小.三齿情况下,上、下游和中间各一齿时流量系数最小.出口旋转比和风阻温升都随流量系数的减小而增大.      

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.      

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。      

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%.     

转静系盘腔转盘风阻温升实验

采用红外测温技术对转静系盘腔转盘风阻温升特性进行了实验研究,利用高速旋转实验台测量了不同流动参数以及转静间隙比下转盘各半径处的壁面温升,并研究了径向出流处增加封严环对于转盘温升量的影响.同时通过CFD数值模拟得到转静系盘腔内流动特点.结果表明:由于风阻引起转盘温升量实际上就是转盘的绝热壁温与环境温度之差,并能通过红外热像仪准确测量.针对无封严开式转静系,转盘温升量主要受到旋转影响,仅在小转静间隙比时,通流的变化才会影响风阻温升.总体上,转静间隙比的改变对转盘温升影响不大.与封严转静系对比可知,在湍流参数较小的情况,封严环的引入会使转盘温度有所升高.      

旋转封严篦齿风阻温升的试验研究与数值分析

选取具有典型封严结构的真实尺寸台阶型封严篦齿,通过高速旋转条件下的风阻温升特性试验,进行了进出口压比(1.05~2.8)、封严间隙与齿尖厚度比(相对封严间隙)(2.4~4.0)、雷诺数(1900~28000)及转速(0~12000r/min)等参数对篦齿泄漏流风阻温升的影响研究.并基于试验条件,采用renormalization group(RNG)k-ε湍流模型,对同一篦齿的风阻温升特性进行了数值计算.结果表明:篦齿泄漏流温升随进出口压比、雷诺数、封严间隙与齿尖厚度比的增加而减小,但随转速的增加而增大.数值计算结果与试验数据吻合 良好,台阶型封严篦齿第1道和第2道封严齿内的风阻温升最为显著,前两道封严齿内的温升占总温升的60%. 根据试验结果,提出了计算台阶型篦齿泄漏流温升的经验公式,其计算结果与试验数据具有较好的符合性.      

军用飞机生存力/易损性的评估分析

本文分析了军用飞机在军事行动中所面临的威胁类型，指出了进行易损性评估需要研究的途径，提出了影响飞机生存力／易损性的因素，并利用层次分析法确定了影响军用飞机生存力／易损性各因素的权重；利用加权最小偏差值法对各影响因素的值进行了定量地确定；结合某地军用飞机装备情况，给出了实例计算，并指出了进一步研究的方向。     

中心进气转静系转盘风阻扭矩数值模拟

采用计算流体力学(CFD)商业软件CFX从流动参数及几何结构两个方面对中心进气转静系盘腔内转盘风阻扭矩特性进行了数值模拟研究,同时搭建一个转盘风阻扭矩实验台测量自由盘风阻扭矩.中心进气转静系转盘风阻扭矩与经典经验公式进行了对比,结果表明:利用数值模拟方法,得到的无量纲扭矩系数与经典经验关系式计算得到的数据总体相差小于10%,利用湍流参数来表征转盘转速以及叠加流流量,对于分析转盘风阻扭矩非常便利.利用湍流参数定量分析时需注意叠加流以及转速的量级同样影响着风阻扭矩的数值.几何结构对于风阻扭矩也有影响,但相比流动参数影响较小.      

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。