基于改进Jacobian-Torsor理论的转子组件装配精度控制方法

转子装配是航空发动机制造过程的核心环节，防止同心度超差是转子组件装配需要解决的重要问题。传统方法以千分表人工手动测试为主，依赖制造经验，缺乏系统、定量的结构精度设计理论方法支撑。针对转子的回转特性和多级装配特点，提出了基于改进的雅可比旋量理论的三维偏差建模方法和组合堆叠同心度控制策略，通过引入回转副有效表征了航空发动机转子零件的回转特性，确定了雅可比扩展矩阵和同心度偏差传递函数及其控制方程。结合该方程，对某4级涡轮转子装配进行验证，当各级安装角度分别为3.513 rad、5.206 rad和0.953 rad时，可获得最高同心度0.042 mm。结果表明该模型可以有效预测组件整体精度和确定最佳装配方案，具备较强现实指导意义。     

基于几何代数理论的转子堆叠装配多目标优化

在航空发动机多级转子装配过程中,优化的转子堆叠装配方案对提高转子装配质量及安全运行有着重要的意义。为了提高转子安装相位优化效率和装配质量,基于几何代数理论并结合多目标优化方法提出了一种高效求解最优堆叠装配方案的方法。首先,对几何代数和齐次矩阵的计算效率进行对比验证,并基于几何代数理论改进多级转子堆叠装配误差传递模型;其次,针对航空发动机转子安装相位角度的装配要求,建立转子同心度和初始不平衡量的多目标优化模型;最后,采用非支配排序遗传算法求解该堆叠装配多目标优化问题,获得符合工艺要求的最优装配方案。算例结果表明,优化后的转子装配方案比随机装配方案同心度降低65.10%,初始不平衡量降低97.88%。     

周向非均匀流动引起的转子动力学载荷分析

以轴流涡轮为分析对象,分析了流动沿周向分布不均匀的条件下涡轮转子受到的气动载荷。假设涡轮级内的流动沿周向呈1次谐波形式的余弦函数分布,考虑转子叶片叶顶间隙,利用双耦合激励盘模型描述叶片通道中的流动,采用谐波分析方法求得涡轮转子受到的气动载荷。分析了不同轴向位置处、不同非均匀流动参数的影响,讨论了转子偏心所产生的非均匀流动,给出了非稳态流动条件下的气动载荷。结果表明:1次谐波形式的非均匀流动会产生附加载荷作用于转子,从而影响转子的动力学性能;非稳态不均匀流动会影响附加载荷的大小,但不改变其在动坐标系中的方向。     

高压转子维修单元体跳动评价方法

为了提升航空发动机高压转子维修单元体的装配质量，针对当前高压转子维修单元体跳动评价方法中普遍存在的沿程 测量误差问题，通过分析维修单元体转子偏心量与组合转子偏心量之间的影响关系，同时避免复杂的空间坐标变换计算，建立了 高压组合转子结合面偏心量快速预估模型，提出以支承轴颈处偏心量来评价高压转子维修单元体跳动的方法。采用该方法可快 速预估组合转子中间结合面偏心量范围，也可对批量压气机转子和涡轮转子实施最优配对。结果表明：在满足高压组合转子跳动 设计要求的前提下，改进后的跳动评价方法使高压转子维修单元体不合格率从最高约67%降低到约8%，有效提升了转子装配质 量，提高了装配效率。该跳动评价方法对于航空发动机转子装配、组合转子配对以及连接质量评估等工作的开展具有较强的工程 指导意义。     

暖机对涡扇发动机加速过程中压气机叶尖间隙影响分析

为了研究涡扇发动机暖机程序是否合理,分析了暖机与不暖机对发动机加速过程中压气机叶尖间隙变化造成的影响,并进行了两种情况下变化规律的对比分析。建立了转子模型,在综合考虑转子离心载荷与温度载荷基础上,运用该发动机暖机与不暖机情况下台架测试数据绘制载荷谱,并基于Workbench平台采用热—固耦合分析方法对加速过程中发动机转子径向位移进行仿真计算。根据转子径向间隙计算模型,利用仿真结果计算获得暖机与不暖机情况下的叶尖间隙。结果表明,充分暖机后的压气机叶尖间隙值明显小于不暖机情况下的间隙值,相对原始装配间隙,两者在慢车状态时相差19.86%,在最大加力状态相差8.04%,且加速过程中叶尖间隙变化规律均为随时间增加而不断减小,在慢车至中间状态过程中迅速减小,在加力过程中缓慢减小。     

叶尖泄漏流/尾迹掺混对串列转子非设计点性能影响

在串列转子设计中,为研究前后排叶片周向位置的变化所引起的泄漏流/尾迹之间掺混的变化对串列转子近失速点性能的影响,首先建立了泄漏流/尾迹掺混分析模型.模型分析结果指出流动掺混可以有效减小通道下游堵塞.在模型分析的基础上,进一步在高负荷串列转子中进行了不同周向位置的对比研究,对模型进行了验证;研究发现在近失速工况,对比无掺混情况,后排叶尖泄漏流/前排尾迹掺混使叶尖堵塞减少了近20%,从而使得高负荷串列转子的失速裕度相对提高了11.7%.      

涡轮间隙泄漏涡破碎对损失的影响

采用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了不同间隙高度下GE-E³（Energy Efficient Engine）涡轮第一级动叶顶部间隙泄漏涡（TLV）的破碎特性及其对泄漏损失的影响。首先描述了泄漏涡的破碎现象,并对其动力学特性进行了理论分析,接着研究了间隙高度对泄漏涡结构及破碎特性的影响,最后对泄漏涡破碎与损失的关系进行了探讨。研究结果表明：涡轮叶顶间隙泄漏涡具有不稳定特性,当泄漏涡具有足够的强度可以克服通道涡卷吸形成完整涡结构时,在叶片后半部分逆压区发生了涡破碎现象,带来了额外的涡破碎损失;间隙高度对泄漏涡破碎位置的影响比较明显,在大间隙下泄漏涡趋于相对稳定;叶顶泄漏流产生的掺混损失以泄漏涡的破碎为标志分为两个阶段,大量的掺混损失发生在泄漏涡破碎之后,这也是叶顶泄漏流产生损失的主要部分。     

悬停状态共轴双旋翼桨叶扭转气动特性

针对桨叶气动性能的提高,建立了一套基于悬停状态的共轴双旋翼桨叶扭转设计方法.在该方法中,设定单旋翼桨叶扭转几何安装角,通过仿真验证,合理的桨叶扭转,可提高旋翼性能7.0%;根据桨尖涡对桨叶的影响,以及共轴双旋翼气动特性,分别对桨尖几何安装角及上下旋翼几何安装角进行修正,实现悬停状态共轴双旋翼桨叶扭转设计.最后,对所设计的共轴双旋翼进行模拟仿真,结果表明该扭转翼较未经扭转的矩形翼升力提高了10.3%.      

An error analysis and optimization method for combined measurement with binocular vision

The accurate measurement of surfaces of large aviation components is vital for the assessment of manufacturing and assembly quality of such components. To satisfy the measurement requirement of large-size components, most current researches pay more attention to combined measurement methods utilizing different measuring instruments, but the related researches on error analysis and optimization methods are not taken enough attention. This paper proposes a combined laser-assisted measurement method with feature enhancement techniques, and it also develops an error propagation model of the main factors affecting the overall measurement error in detail. Firstly, the surface of a large-size component is measured by the measurement system at multiple stations. Secondly, a control point coordinate system is established as a bridge to unify all local measurement data into the global coordinate system. To improve the overall measurement accuracy, the pixel extraction error as a key factor causing the overall measurement error is analyzed in detail. Next, the error propagation model is established, and some optimization strategies of layout for minimizing measurement error and transformation error are researched. Finally, experiments are carried out to verify the effectiveness of the proposed method. The results show that the measurement error of the proposed method reaches 0.073% and 0.14% with a 1D standard ruler and a flat plate, respectively.     

Numerical analysis on noise of rotor with unconventional blade tips based on CFD/Kirchhoff method

A solver is developed aiming at efficiently predicting rotor noise in hover and forward flight. In this solver, the nonlinear near-field solutions are calculated by a hybrid approach which includes the Navier-Stokes and Euler equations based on a moving-embedded grid system and adaptive grid methodology. A combination of the third-order upwind scheme and flux-difference splitting scheme, instead of the second-order center-difference scheme which may cause larger wake dissipation, has been employed in the present computational fluid dynamics (CFD) method. The sound pressure data in the near field can be calculated directly by solving the Navier-Stokes equations, and the sound propagation can be predicted by the Kirchhoff method. A harmonic expansion approach is presented for rotor far-field noise prediction, which gives an analytical expression for the integral function in the Kirchhoff formula. As a result, the interpolation process is simplified and the efficiency and accuracy of the interpolation are improved. Then, the high-speed impulsive (HIS) noise of a helicopter rotor at different tip Mach numbers and on different observers is calculated and analyzed in hover and forward flight, which shows a highly directional characteristic of the rotor HIS noise with a maximum value in the rotor plane, and the HSI noise weakens rapidly with the increasing of the directivity angle. In order to investigate the effects of the rotor blade-tip shape on its aeroacoustic characteristics, four kinds of blade tips are designed and their noise characteristics have been simulated. At last, a new unconventional CLOR-II blade tip has been designed, and the noise characteristics of the presented CLOR-II model rotor have been simulated and measured compared to the reference rotors with a rectangular or swept-back platform blade tip. The results demonstrate that the unconventional CLOR-II blade tip can significantly reduce the HSI noise of a rotor.     

旋翼地面效应的气动建模与特性

地面对旋翼气动特性影响明显,且导致旋翼流场更加复杂。为分析地面效应下的旋翼桨尖涡和流场变化特性,基于涡面和无滑移边界条件,求解第2类Fredholm方程获得地面涡面矢量分布,且将涡面矢量按涡扩散方程扩散到流体中,建立考虑黏性效应的地面气动模型,并耦合非定常面元/黏性涡粒子混合法以体现旋翼桨叶气动特性和旋翼尾迹的非定常效应,构建旋翼地面效应气动分析方法。通过计算Lynx尾桨地面效应下的性能和桨尖涡轨迹,并计算Maryland大学模型旋翼和NASA缩比旋翼地面效应下的垂向、径向速度分布,且与试验和CFD计算结果对比,验证了本文方法能较好捕捉地面效应下的旋翼尾迹变化特性和复杂速度场特性,且结果表明本文方法能较好模拟地面效应下旋翼桨尖涡的收缩、扩散、井喷、地面射流等物理现象。     

叶轮偏心引起的气流激振力对转子稳定性影响的分析

转子偏心引起的气流激振力在一定条件下可能诱发转子失稳。分析了叶轮偏心引起转子失稳的机理和特点。以Jeffcott转子为例,利用Routh-Hurwitz准则讨论了叶轮偏心转子失稳的影响因素。研究表明支承刚度的不对称和大阻尼比都将提高转子稳定性的门槛值。提出了叶轮偏心转子失稳门槛值的计算方法,建立了优化模型,通过优化转子系统的支承刚度和直径提高了系统的失稳门槛值。计算实例表明了该方法对提高系统的稳定性具有良好的效果。     

A novel high-order scheme for numerical simulation of wake flow over helicopter rotors in hover

Accurate prediction of tip vortices is crucial for predicting the hovering performance of a helicopter rotor. A new high-order scheme(we call it WENO-K) proposed by our research group is employed to minimize numerical dissipation and extended to numerical simulation of unsteady compressible viscous flows dominated by tip vortices over hovering rotors. WENO-K is referred to as an adaptively optimized WENO scheme with Gauss-Kriging reconstruction, and its advantage is to reduce dissipation in smoo...     

改进型CLOR桨尖旋翼气动特性试验研究及数值分析

 通过风洞试验及数值模拟对具有改进型CLOR(CLOR-Ⅱ)桨尖的旋翼悬停和前飞状态气动特性开展研究。在CLOR桨尖旋翼试验及数值分析的基础上,考虑旋翼非定常流场特点,兼顾旋翼悬停和前飞气动性能,对旋翼桨叶的气动外形进行了改进,主要包括采用多种翼型优化配置以综合改善旋翼前行侧压缩性及后行侧桨叶失速特性,并考虑旋翼前飞状态对其桨叶动力学特性的需求,重新设计了桨尖前后缘的外形。在风洞中分别对3种旋翼进行多种状态条件下的试验研究,为从流动细节上获得不同桨尖旋翼的气动特性差别,采用计算流体力学(CFD)方法对试验状态进行了数值模拟对比。对更高转速状态进行模拟,结果表明相对于其他两种旋翼,CLOR-Ⅱ桨尖旋翼在改善跨声速特性和提高失速迎角等方面具有明显优势,而且综合提高了旋翼悬停和前飞气动性能。     

三维激波／附面层相互作用的起始分离预测

给出了一种预测三维激盘／附面层相互作用诱导的流动起始分离的方法。研究结果表明：激波与附面层相互作用所诱导的二次流动是影响起始分离的重要因素。当来流相对马赫数大于１．５时，强的激波／附面层相互作用可能导致跨音风扇转子叶尖区域的流动分离。     

一类关联转子分离尺度与损失的工程模型

将分离与损失相关联，提出了利用转子进出口参数来确定跨音风扇转子内部分离流动的方法。应用该方法对几个转子流场计算的结果表明，在转子的叶尖区域，由于强的激波与附面层相互作用，使得流动在激波后不久便发生分离。叶尖漏流涡可能对激波与附面层的相互作用诱导流动分离有较大影响。     

基于夹具主动定位补偿的飞机柔性件装配偏差优化方法

柔性零件广泛用于航空、汽车等产品中,在柔性件的装配过程中,装配尺寸质量受零件制造、夹具和连接过程中多种偏差源的耦合影响,分析和控制难度大。提出了一种基于夹具主动定位补偿的装配偏差优化方法。首先,基于柔性件装配的受力变形分析,建立了考虑夹具法向定位误差的装配偏差模型。然后,根据上述模型,以夹具法向定位补偿量为优化变量,提出了夹具法向补偿量的优化模型和求解算法。以金属薄板装配和飞机壁板件装配为例,分别利用实验及有限元仿真分析了有无夹具主动定位补偿下的装配偏差。结果表明,夹具法向定位补偿对于减小柔性件的装配偏差具有显著效果,从而验证该优化算法的有效性和准确性。     

采用改进减缩模型的涡轮叶尖间隙快速分析方法

改进了一种预测涡轮叶尖间隙的缩减模型,此模型可模拟发动机各工况下温度、转速和压差对间隙的影响.利用该改进模型在某发动机高压涡轮结构设计中进行叶尖间隙计算,结果显示改进的模型能较好地揭示各工况下叶尖间隙的变化规律.此分析模型只需要输入发动机总体参数、几何参数、基本的材料参数以及传热参数,便能快速得到各个工况下叶尖间隙的变化规律,从而找出最小和最大间隙值及发生时所在工况,可在发动机初步方案设计阶段为叶尖间隙评估提供一种高效率的方法.      

转子叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能影响机理分析

为研究转子不同叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能的影响机理,分别对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型 优化,并利用商业软件NUMECA进行数值模拟。结果表明：对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化后,压气机性能有较 大提高,改型后 0.204-0.408的各类间隙压气机性能优于 0.408-0.204间隙的。相比较平行间隙 PTC 0.204-0.204,渐变式 TTC 0.204-0.408和阶梯式STC 0.204-0.408的失速裕度分别提高1.12%和1.61%,峰值效率基本不变,同时近失速工况下的总压比和效 率也略有提高。叶尖泄漏涡得到抑制,间隙处的流体低速区明显减小,流动损失减小,流场得到较大改善。转子通道的总压比在 85%叶高处明显提高,分别提高了1.01%和3.13%。阶梯式叶尖间隙压气机的静子通道40%叶高处总压损失系数减小达75.4%。 对平行式叶尖间隙进行改型处理能够有效提高压气机性能,且阶梯式叶尖间隙比渐变式的对压气机性能提高的效果更加显著。     

基于关键装配特性的大型零部件最佳装配位姿多目标优化算法

为了控制装配过程中的关键装配特性,以大尺寸测量技术为辅助,实现大型零部件最优位姿装配,提出基于关键装配特性的大型零部件最佳装配位姿多目标优化算法。该方法将测量辅助装配(MAA)中的关键环节——最佳装配位姿拟合问题分为两步:第1步利用基于奇异值分解的解析方法将测量坐标系与装配现场的全局坐标系进行精确的空间配准,减小了坐标系对齐的误差,并以参考点拟合的偏差为优化目标,求解移动装配体当前位姿;第2步根据装配关键特性相关公差的重要程度,计算装配综合精度要求,并以最小综合偏差为优化目标求解移动装配体间的最佳装配位姿。随后给出了上述两个步骤的粒子群优化算法模型,将每步的待求解位姿作为一个拥有3个旋转自由度与3个平移自由度的粒子进行求解。最后对卫星舱段位姿最优装配问题进行仿真计算,结果证明了该优化算法在控制各项关键特性、提高综合装配质量等方面的有效性。