流量调节器管路系统自激振荡特性研究

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象。为了深入认识自激振荡产生机理,结合某稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94Hz,与发动机试验结果一致。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口能够抑制管路系统自激振荡。自激振荡产生机理是液动力随滑阀节流口型面振荡,并对管路系统形成正反馈作用,当流量调节器综合刚度系数<0时,管路系统就失稳产生振荡。某流量调节器的负载特性试验表明,随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差。仿真获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

流量调节器管路系统自激振荡特性研究（液体火箭推进专刊）

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象,为了深入认识自激振荡产生机理,结合某型自稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94 Hz,与发动机试验结果一致。自激振荡产生机理是流量调节器的液动力受滑阀窗口型面变化率影响对系统形成正反馈作用,流量调节器综合刚度小于零时系统失稳。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口流通面积能够抑制管路系统自激振荡。结合某型流量调节器负载特性试验系统进行验证,得出随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差,获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

考虑流固耦合作用的一维供应管路-喷嘴系统动力学特性

为了更加深入地研究供应管路-喷嘴系统的动态特性,在喷嘴动力学理论的基础上,建立了考虑供应管路流固耦合作用的传递矩阵组合计算模型。针对三种典型液体火箭发动机喷嘴与一维供应管路组成的系统,开展了两端固定边界的系统动力学特性数值模拟。结果表明:管路结构谐振与管内流体谐振所导致的喷嘴出口位置流体速度振荡量级相当,管路流固耦合作用对系统动态特性的影响不能忽略;管路结构谐振是造成其固定位置应力的频率响应幅值较高的主要因素;当流体与结构的谐振频率接近时,会产生一个大带宽、高幅值的应力耦合振荡区间,随着管壁厚度的增大,耦合振荡的带宽也随之增大;对于文中算例,流固耦合作用对流体谐振造成的系统振荡具有约5%的降频作用。     

判定系统稳定用的负预开口四边滑阀流量曲线的等效直线

采用负预开口四边滑阀构成的位置控制系统,在飞行器中获得了广泛应用。考虑了负预开口四边滑阀流量曲线固有的不灵敏区和饱和等严重非线性特性。在引入必要的简化假设的基础上,建立了系统的运动方程式,并将系统的稳定问题转化为问题。运用罗马尼亚学者Popov提出的判定非线性系统稳定性的频率法,确定了液压操纵系统全局稳定的充分必要条件。研究结果表明,通过坐标原点作四边滑阀流量—开口量曲线的切线,可以作为判定系统稳定用的负预开口四边滑阀流量曲线的等效直线,从而将非线性系统稳定性问题转化为等效的线性系统的稳定性问题。分析结果能与作者研究过的一种液压操纵系统中观察到的现象定性符合。     

火箭发动机泵后供应系统水力激振试验

为了研究某型发动机泵后供应系统的动力学特性,对全尺寸的氧泵后供应系统在中、高频范围内开展了水力激振试验。试验数据表明:供应系统的谐振特性被激发起来。在试验条件下,可以清晰地辨识出泵后供应系统的前4阶谐振频率和振型。第1阶谐振频率响应幅值最高,第2阶和第3阶相当,响应幅值次之,第4阶响应幅值再次之。在外界扰动下,该发动机泵后供应系统能够较容易地达到流体谐振状态,当外界扰动频率接近其谐振频率时,供应系统沿程脉动压力出现了明显的共振波形。在不同的谐振频率下,喷前腔位置均为压力振荡的波节位置,也即为流量振荡的波腹位置。      

基于增量谐波平衡法的流量调节器非线性频率特性

针对多个状态变量、非线性关系复杂、方程刚性强的流量调节器系统,应用增量谐波平衡法研究了调节器在入口压力扰动下的强迫振荡问题,得到了系统周期解的解析表达式。通过与龙格库塔数值仿真结果相比较,验证了增量谐波平衡法应用于该系统的有效性,且计算量相对较小。进而在频域内探讨了流量调节器系统的非线性频响特性,结果表明,随着扰动振幅的增大,幅频响应在整个频率范围上都有所增大。计算结果可以用于评估线性化方法的误差范围。通过分析周期解的时均值与稳态值的差别,揭示了调节器受上游压力周期扰动时,其出口流量的时均值略低于稳态值的非线性特性。     

气动阀门自激振动机理及动态稳定性

基于弹簧振子的扰动响应特性,提出了气动阀门气固耦合自激振动的稳定性机理.以单向阀为例,根据小扰动原理,构建系统的气固耦合动力学模型及稳定性模型,通过求解线性方程组的特征根,得到了单向阀系统的稳定工作区间及参数影响特性,稳定性分析模型的有效性由单向阀气动试验验证.对于单向阀,存在压力-流量的临界稳定性曲线.工作压力一定时,当单向阀工作流量小于相应压力下的临界稳定流量,单向阀处于不稳定状态,一个微小的扰动都将会导致阀芯周期性振荡;反之,单向阀工作稳定,阀芯将处于稳定开度.增加单向阀阀芯阻尼、弹簧刚度及减小阀门进口直径在一定程度上将有助于提高单向阀的工作稳定性.     

发动机泵后管路-汽蚀管系统水力激振试验

为了研究火箭发动机泵后管路-汽蚀管系统动力学特性,开展水力激振试验。在汽蚀管下游引入水力激振信号,测量供应管路和推力室头腔的脉动压力,建立描述系统动力学特性的传递函数。结果表明:该系统主要表现出1阶谐振特征,高阶谐振峰不明显。在谐振频率下,汽蚀管出口至氧主阀之间管路上脉动压力的幅值整体较高,脉动压力幅值沿流向逐步增大;经过氧主阀后,压力振荡幅值沿流向快速降低。发现了压力脉动通过此汽蚀管向上游传播的现象:即使汽蚀管处于汽蚀状态,仍存在部分压力脉动通过汽蚀管逆向传播至上游管路;而汽蚀管对整个管路仍然起到了明显的隔振效果。在过大的汽蚀裕度下,汽蚀管出口由声学闭端边界逐渐向声学开端边界转变。      

液体火箭发动机供应系统频率特性

为了研究减少液体火箭发动机供应系统振荡的有效工程措施，对模型系统与真实系统建立适用于中高频分析的线性化复频域传递函数矩阵模型，结合节流圈阻抗与管路特征阻抗对比方法，分析系统流路在出口压力激励下的频率特性。结果表明：激励源端可能产生谐振频率偏移效应，应选取非激励源端的幅频响应来判断系统谐振频率；节流圈具有较强的频率选择性和对表现出反谐振特征的系统具有位置选择性，需重视关注的频率与位置；节流圈位置越靠近流量振型波腹，或流量波腹位置处的节流圈压降越大，对流路中振荡衰减作用越大。针对该液体火箭发动机供应系统，缩短液氧路管长0.1 m，增大煤油路管长0.05 m，并调整节流圈压降分配，可有效减小供应系统振荡。     

助力器非线性引起的飞机纵向-电传操纵系统极限环振荡特性的分析

本文利用描述函数法分析了助力器不灵敏区和速度饱和特性对电传-飞机纵向系统的稳定性影响。分析结果说明NSS工作模态容易发生极限环振荡,PSS工作模态不容易出现极限环振荡。对于静稳定飞机有可能出现高频、小幅和低频、大幅两种自持振荡。在操纵或扰动中,当运动幅值超过某一起始振幅,大幅极限环振荡便会产生。本文给出了NSS工作模态的系统稳定判据和预估自振频率、幅值的解析法;分析了舵机回路和计算机的滞后影响。本文最后简略地提出一些改善极限环特性的措施。     

部分充液悬臂转子在不稳定区的动力特性

 描述了试验中部分充液转子系统在失稳过程中的动力特性,注意了转子在不稳定区的涡动频率和方向,流体表面的状态与转子失稳之间的关系;研究了充液量对转子的涡动频率和不稳定区的影响。报道了部分充液转子系统在失稳过程中的一些重要现象,为深入研究部分充液转子系统失稳机理提供了实验依据。     

冷却空气管供气腔脉冲射流流动响应特性实验研究

为了探究脉冲射流经航空发动机主动控制系统中冷却空气管内的流动响应规律，本文对单排40个出流孔的冷却空气管内的脉冲射流流动响应特性进行了实验研究。同时，引入了响应时间、迟滞时间和出流速度系数三个评价参数，对脉冲射流在冷却空气管内的响应特性进行定量分析。实验重点分析了脉冲频率f（1Hz~20Hz）、进口雷诺数Re（5000~20000）等参数变化对流动响应特性带来的影响。研究发现，在一个脉冲周期内，冷却空气管出流速度的响应时间和迟滞时间沿程逐渐增加，出流速度系数沿程变化不大。在本文实验参数范围内，f和Re增加，冷却空气管出流响应时间、迟滞时间所占脉冲周期的比例和出流速度系数逐渐增加。f、Re越大，冷却空气管内压力越大，流容越小。     

进口导叶角对叶根失稳压气机流动失稳的影响

以一台航空高速压气机为研究对象,通过加装进口导叶调整压气机进气预旋角,采集失稳过程中的动态压力信号,观察不同导叶角度、流动失稳演化过程。结果表明：在负导叶角情况下,压气机由转子叶尖突尖波引起失稳;在零导叶角及较小的正导叶角情况下,由静子叶根区域的局部喘振诱发失稳;在较大的正导叶角情况下,静子叶根在节流过程中首先出现局部失稳,进一步节流导致叶尖旋转失速团出现,压气机完全失稳。分析认为,导叶角的增加通过降低反力度,调整了转静间的负荷分配,从而引起了失速初始扰动发生上述“转子突尖波-静子局部喘振-静子局部失稳”的转变。     

Effect of bent inlet pipe on the flow instability behavior of centrifugal compressors

Bent inlet pipes are often used in centrifugal compressors due to limited installation space, and an understanding of the effect on compressor stability is essential for safety and durability. This paper firstly investigates flow instability behaviors in two compressors, one with a straight inlet pipe and the other with an S-shaped bent pipe. In detail, it analyzes the resulting flow fields, instability evolution paths and surge boundaries. The results show that the S-shaped pipe obviously affects the flow field at high mass flow rates, while reverse flow mainly influences the flow field at low mass flow rates. Reverse flow first occurs at certain flow passages with a high pressure difference that is predominantly decided by the volute rather than the S-shaped bent pipe. In addition, centrifugal compressors can tolerate reverse flow to some extent so that surge would not occur immediately if reverse flow occurs unless the reverse flow region extends circumferentially and radially to a sufficiently large size. Since the S-shaped pipe is not dominant in the creation and extension of reverse flow, it does not exacerbate the stability of the central compressor to a great extent. Last but not least, the S-shaped pipe is noted to delay the occurrence of surge at 90% rotating speed, which suggests the possibility of improving compressor stability with bent inlet pipes. This result differs from the conventional understanding that inlet distortion usually deteriorates compressor stability and emphasizes the particularity of centrifugal compressors.     

燃油管路系统振动特性有限元技术研究

航空发动机燃油管主要用于提供燃油,属于复杂3维管路系统.为了更好地分析管路系统的振动特性,以双路总管燃油管路系统为例,结合其管路繁多、连接结构多样、支撑结构特殊、管内充液等特点,系统研究了各部件的有限元模拟方法.考虑到支撑刚度对管路系统振动特性有较大影响,采用有限元静力分析对其进行了求解.结合以上不同部件的分析方法,建立起系统的振动有限元模型.对该管路系统进行模态分析,得到系统固有频率变化规律及具有分簇特点的振动模态;对系统进行共振评估,认为副燃油分管最有可能发生共振,提出了振动优化的合理建议.     

脉冲爆震发动机无阀工作对供给系统影响研究

通过测量无阀脉冲爆震发动机非定常工作对供气供油系统影响的压力数据,对建立的燃油和空气管路数值仿真模型进行了验证,基于建立的模型研究了供给系统的流量特性.研究结果表明,供油供气系统受同一爆震管头部压力作用带来的影响是不同的,这进一步导致供给系统气动开启初始充填的非定常特性,对于给定的供给系统,这种非定常特性的持续时间是固定的,当发动机工作频率增大时,其占单个周期的比重越来越大,最终导致脉冲爆震发动机的不稳定工作.      

燃油调节器壳体裂纹失效分析

针对某型燃油调节器壳体裂纹故障提出一种分析定位方法。通过实物质量分析、光谱分析和ANSYS结构强度仿真,排除材料缺陷和设计缺陷,将故障问题逐渐收敛定位于外部载荷环境的影响,结合断口和疲劳试验载荷谱利用裂纹疲劳弧线反推分析萌生裂纹机理,采用列表梯形法计算出壳体裂纹萌生寿命,将故障分析定位在高周疲劳试验区间。根据高周疲劳寿命试验数据进行频谱扫描,分析高周疲劳试车中发动机转速频率特性、燃油调节器固有频率,并统计试车累计工作时间。结果表明:外部激励频率与燃油调节器的固有频率存在频率上的重合导致了共振失效。为燃油调节器裂纹故障的分析定位提供了思路和方法,可为航空发动机控制体系的发展与研究提供技术支持。     

低温液体火箭发动机预冷自然循环回路的流动与传热特性研究

针对低温液体火箭发动机预冷自然循环回路的流动与传热过程,建立了一维非稳态均相流数学模型,采用反环状流和弥散流两种流型描述膜态沸腾流型及传热特性。数值计算结果表明：自然循环预冷回路中推进剂流量的不稳定特性是由驱动力——循环回路释热量的不稳定性造成的;预冷过程约80％的管路壁面温度下降由膜态沸腾所引起;反环状流和弥散流膜态沸腾流型的引入,可较好解释回流管壁面温度在预冷过程中的逆向分布规律。     

某型发动机在线清洗喷射架 强度计算与振动分析

为研究喷射架强度以及振动特性,确保从飞机进气道唇口安装清洗喷射装置进行发动机清洗时的可靠性,避免喷射装置和飞机共振,文章利用有限元数值仿真对喷射架进行了结构静力强度和模态计算分析,得到喷射架10阶振型及固有频率,喷射架结构强度满足要求。进行了发动机进气道唇口测振分析,得到发动机在冷运转状态下,相应进气道唇口测振频谱值。设计进行了模拟环境振动验证试验,得出结论:喷射架固有频率与冷运转状态下发动机进气道唇口振动频率没有耦合,发动机冷运转状态下的飞机进气道唇口振动不会损坏喷射装置,也不会对在线清洗造成影响。     

流场不均匀对液体火箭发动机纵向振荡燃烧影响及控制

针对常温推进剂发动机推力室再生冷却和撞击式喷注器结构,分析了推力室身部与喷注器对接部位的流场特性,对流场均匀性进行了实验测量。结果表明：推力室身部再生冷却通道出口压力存在约0.15 MPa周向不均匀。身部出口节流显著提高局部流速,使喷注器面氧化剂湍流度和不均匀性增加,进而改变燃烧特性。通过撞击喷注单元雾化试验,获得了18 m/s的推进剂入口边界流速。基于喷注器流场均匀性,提出控制推进剂流速,降低不均匀性,进而抑制纵向高频燃烧不稳定性的控制方法。发动机热试结果表明,采用（15±1） m/s的推进剂入口流速,控制方法抑制了纵向高频燃烧不稳定性。