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。      

高速人字齿轮副风阻损失及其影响因素分析

建立高速人字齿轮副外部空气的流体动力学模型,基于RNG （re-normalization grop）k-ε湍流模型及动网格技术,仿真分析了齿轮周围气流瞬态特性,阐明了齿轮风阻损失机理,研究了齿轮副转速、转向和螺旋角变化对风阻功率的影响规律。结果表明：齿轮副风阻损失主要来源于齿面压差力矩,风阻功率近似与转速的3次方成正比;齿轮副正反转将改变轮齿周围气流方向及齿面最大压差位置,但对风阻功率无影响;螺旋角增大有利于降低风阻功率,螺旋角越大,齿轮副风阻功率降低越显著。单齿风阻力矩曲线呈周期变化,通过啮合区时出现增大-减小至负值-再增大-减小至平稳的波动特性,在非啮合区时趋于平稳;单齿风阻力矩波动值随转速增大而增大,随螺旋角增大而减小。     

齿轮风阻损失仿真及其实际应用

对多种齿形大小相似但种类不同的齿轮进行了仿真研究,对轮齿周围的空气流场以及齿面压力场进行了分析,并对某型航空发动机中央传动锥齿轮的风阻损失进行了评估.结果表明,齿轮的风阻损失由压力损失和黏性力损失构成,其中黏性力损失占比为4%～17%.由于壁面作用,斜齿轮轮齿旋向不同也引入了约60%的风阻损失差异.航空发动机中央传动锥齿轮的风阻损失则在总损失中占比约为49%.      

全工序法弧齿锥齿轮加工参数计算方法

分析弧齿锥齿轮刀盘的结构特征与切齿运动特点,提出三个参考点的设置方法。以大轮采用展成法,小轮采用螺旋展成法加工的弧齿锥齿轮副为研究对象,提出了全工序法大轮加工参数的简化计算方法。总结螺旋锥齿轮的一般啮合规律,结合参考点设置方法,利用Free-Form型机床的柔性运动控制特征,建立了小轮的切齿控制优化模型,获得一组最优化的加工参数。以此计算方法开发了设计软件,基于国产全数控锥齿轮加工装备,以一对准双曲面齿轮为算例进行了网络化闭环制造,试验结果显示:齿轮副传动误差幅值达13.2″,两齿面接触区均位于齿面中部、呈内对角,验证了方法的正确性,有效解决了全工序法加工弧齿锥齿轮时双面接触特征同步调整困难的行业难题。      

航空发动机主传动弧齿锥齿轮的接触特性研究

依据航空弧齿锥齿轮的加工原理, 建立了弧齿锥齿轮的切齿共轭方程;在考虑误差和支承刚性的条件下, 对航空锥齿轮的接触特性进行了研究, 并分析计算了误差及支承刚性对齿轮副的接触印痕和运动曲线的影响。结果表明:弧齿锥齿轮传动对沿主动轮轴向的偏移和轴间夹角的偏移比较敏感。研究问题的方法和所得的结论, 为高性能航空锥齿轮传动的研制提供了手段和依据。      

高重合度弧齿锥齿轮的性能分析与实验研究

从提高弧齿锥齿轮的强度和降低噪声出发,借助于TCA和LTCA等计算机仿真方法,通过增大接触路径的倾斜度,提出了高重合度弧齿锥齿轮的设计方法。这种齿轮传动误差波动小,齿面载荷分布合理,啮合性能优良。通过切齿、齿根应力测试、噪声测量等对比实验,验证了高重合度弧齿锥齿轮设计方法的可行性,证明了这种齿轮在动态性能与强度性能方面均有优越之处。      

Sajben扩压器复杂流动中湍流模型的性能评估

用8个常用的湍流模型对Sajben扩压器中跨声速流动进行了数值模拟,评估了Spalart-Allmaras, 标准k-ε, RNG (re-normalization group) k-ε,realizable k-ε,标准k-ω,SST(shear stress transport) k-ω,v2-f,Reynolds stress共8个湍流模型对激波/湍流边界层相互作用的模拟预测能力.通过与实验数据比较发现:SST k-ω模型和v2-f模型比其他模型模拟的更准确,其中SST k-ω模型比v2-f更能准确地预测壁面压力,然而对于分离点、再附点以及分离区长度v2-f比SST k-ω预测得更准确.      

两种差分格式和两种湍流模型在轴对称冲击射流数值计算中的比较

用延迟修正QUICK和乘方两种差分格式，结合标准k-ε模型和一种基于重正化群（RNG）思想的k-ε模型，对半封闭轴对称涡流冲击射流场进行了数值模拟。通过与实验结果的比较，考察了两种差分格式对计算结果的影响，并讨论了两种湍流模型对冲击射流场的数值预测能力。研究表明：当都采用标准k-ε模型时，QUICK格式得到的结果比乘方格式更接近于实验值，尤其对湍流能分布；当都采用QUICK格式时，RNG k-ε模型的预测值比标准k-ε模型更准确。     

弧齿锥齿轮的齿距误差对传动性能的影响研究

采用齿轮啮合仿真和承载啮合仿真技术 ,对重合度达到 2 .0的航空弧齿锥齿轮的齿距误差的影响进行了研究。首先定义了航空弧齿锥齿轮相对齿距误差 ,选取了量级 ,研究了这一误差对齿轮实际重合度、传动误差、齿面载荷分布和齿间载荷分配的影响。进一步又分析了在一定齿距误差下载荷变化的影响以及固定载荷下误差变化的影响 ,为高重合度航空弧齿锥齿轮的应用提供了依据     

航空发动机燃烧室流动数值计算中湍流模型的比较

分别采用标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、Realizablek-ε湍流模型以及雷诺应力模型,对某型航空发动机燃烧室流动进行了数值计算.近壁处理采用标准壁面函数法,计算得到速度矢量分布以及质量流量、湍流粘度比和湍流强度等参数.四种湍流模型计算的总体流动差别较小,但流场的细节有较明显的不同.标准k-ε模型、Realizable k-ε模型和雷诺应力模型的湍流粘性计算结果较为接近,而RNGk-ε模型计算的湍流粘性较小.     

气液针栓式喷注器液膜破碎过程和结构的数值研究

为了更好地认识针栓式喷注器雾化场的结构，基于网格自适应加密技术以及VOF (volume of fraction)方法追踪气液的分界面，采用realizable k-ε湍流模型模拟整个流动过程，还原了不同时刻气/液撞击的初次破碎过程，数值模拟结果与高速摄影试验结果定性定量对比均吻合较好，验证了数值方法的准确性。进一步对针栓式喷注器气/液撞击的初次破碎过程、内部流场涡结构、速度场进行分析，研究了初次破碎雾化的动力学过程和机理。研究结果表明：液桥的形成主要是由液洞的扩展和拉伸、合并而形成，而液滴主要是由中心液膜拉伸、液丝断裂以及液桥断裂而形成，液膜破碎阶段形成的涡结构是造成液膜断裂的主要原因。     

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%.     

弧齿锥齿轮功率分流传动系统建模与承载特性分析

针对齿轮功率分流的平行轴传动,星型传动和行星传动形式,提出了一种新型交叉轴传动形式的弧齿锥齿轮功率分流传动系统并介绍了其构成及工作状态.在此基础上,计算了系统各齿轮副的传递功率,分析了系统在各安装误差作用下的功率分流情况.研究表明,在输入齿轮、其相对的输出齿轮的轴交角误差或其相邻的输出齿轮的轴向误差单独影响下,系统主承载齿轮副传递的功率减小,可大大提高系统承载能力,并有利于功率分流均载;系统各齿轮都具有安装误差时,各齿轮副承载情况受误差累加或相反作用的影响.      

基于NURBS的弧齿锥齿轮真实齿面的数字化仿真

针对已加工航空弧齿锥齿轮的齿面质量检验,提出用高精度数字化齿面的TCA(tooth contact analysis)仿真代替传统的滚检的方法.参照Gleason公司弧齿锥齿轮的齿面测量标准,在三坐标检测机上测得一对弧齿锥齿轮齿面上离散型值点坐标,完成双三次NURBS(非均匀有理B样条)曲面拟合,得到数字化齿面;依据空间啮合理论对数字化齿面进行齿面接触分析,并与滚检实验结果进行比较,验证了该方法的正确性及可行性.      

某型直升机中减速器飞溅润滑流场特性分析

为了分析某型直升机中减速器飞溅润滑内部流场特性,基于计算流体动力学(CFD)方法,运用流体体积（VOF）多相流模型和湍流模型,建立了包含齿轮箱体、螺旋锥齿轮和导油器等部件的中减速器飞溅润滑数值仿真模型,得到了中减速器飞溅润滑过程中的流场特性,实现了中减速器内部瞬态流场的可视化,分析了齿轮转速、浸油深度对关键位置润滑油流量的影响。结果表明:齿轮啮合处润滑油流量与齿轮转速、浸油深度成正相关;导油管内润滑油流量与导油器油量饱和值有关,当油量大于该值时,导油管内润滑油流量随着齿轮转速的增大而增大,随着齿轮浸油深度的增大而不变。搭建了螺旋锥齿轮箱飞溅润滑试验系统,将飞溅润滑过程中圆孔润滑油流量试验结果与相应的仿真结果进行对比,最大误差为9.5%,验证了仿真方法的正确性。      

大功率弧齿锥齿轮设计技术研究

采用自行开发的弧齿锥齿轮加载分析专用程序,对大功率弧齿锥齿轮设计技术进行了研究。分析了轮齿承载后的齿面接触区的大小和位置,计算了齿根弯曲应力和齿面接触应力,并对齿轮振动特性、齿轮系的振动噪声和齿轮啸叫进行了研究。研究成果为航空发动机弧齿锥齿轮的设计、制造、强度计算和动力学分析提供了理论基础,并有效提高了发动机传动系统的可靠性。     

航空弧齿锥齿轮低噪声和低安装误差敏感性设计

基于局部综合原理,提出弧齿锥齿轮副的低噪声、低安装误差敏感性设计方法。介绍了基于局部综合原理的弧齿锥齿轮小轮加工参数设计的基本过程,通过预置传动比函数的1阶导数、大轮齿面参考点处接触迹线的切线方向和瞬时接触椭圆的长半轴长度和点接触局部综合公式,求得小轮的加工参数;根据得到的弧齿锥齿轮副的加工参数,进行齿面接触分析,进而获得齿面接触印痕和传动误差曲线;对某型航空弧齿锥齿轮副进行了基于局部综合法的加工参数设计,得到对称抛物线型传动误差曲线和接近于直线的啮合印痕。齿面接触印痕和传动误差曲线有利于降低弧齿锥齿轮副的啮合振动和噪声以及对安装误差的敏感性。