航空涡轮冷却器的预紧结构

概述了航空涡轮冷却器用超精密级滚珠轴承预紧结构的功能，设计的基本原则，主要结构形成和预紧力的２种计算方法．     

基于反方法的高负荷涡轮动叶激波控制

为控制高负荷涡轮叶栅中的激波、改善涡轮叶栅流动状况,针对E3涡轮第二级动叶中间叶高叶型,通过修改叶型吸力面压力分布进行了弱化激波S1流面反方法研究,并基于反设计叶型,对涡轮整级性能进行了三维数值计算分析。S1流面求解器选取MISES程序,应用Mixed模式反方法对叶型表面压力分布进行修改,并在反设计过程中临时"冻结"边界层来提高计算鲁棒性,加速收敛。结果表明,S1流面反设计叶型变薄,喉道位置前移,叶栅通道内激波强度明显削弱,叶型尾迹损失明显降低;涡轮整级环境下,反设计叶型使低背压工况下的等熵效率提高了约0.55%,涡轮出口激波强度显著降低,高效运行区拓宽,变工况性能较原始涡轮得到优化,验证了本文反方法的可行性。     

发动机涡轮泵转子新型阻尼挠性支承的性能

高压补燃氢氧发动机的液氢／液氧涡轮泵转子动特性研究需要准确的支承性能参数,因此在径向力小于１０ｋＮ,轴承预紧力９８０Ｎ￣２２０５Ｎ的范围内进行了新型阻尼挠性支承５的性能研究。通过试验和计算,得到了折返式鼠笼挠性支承的变形特性、应力分布规律及其有限元计算模型、金属橡胶阻尼器的阻尼特性、成对双联轴承以及轴承预紧力等因素对支承系统性能的影响。     

有大预紧效应的多叶径向箔片轴承的分析

针对有大预紧效应多叶径向箔片轴承的结构特点,通过引入辅助分析部件建立箔片轴承的非线性接触有限元仿真模型。在分析过程中通过改变作为刚性体的辅助部件和作为柔性体轴承部件之间的几何位置来模拟大预紧多叶箔片径向轴承的装配过程并最终求得箔片轴承中接触应力应变。将处理轴承间隙压力分布的控制方程-雷诺方程和非线性的接触求解过程耦合起来迭代求解,第一次对有大预紧效应的多叶箔片径向轴承进行了完全气弹耦合数值分析。      

三轮涡轮冷却器应用研究

本文通过对涡轮冷却器和飞机地面环控系统工作原理的分析，提出了将三轮涡轮冷却器用于飞机地面环控系统的设计方案。并给出了系统主要性能参数的计算结果。     

由飞行高度引起的背压变化对弹用燃气涡轮喷阻出口速度及角度的影响

飞行高度越高，弹用燃气涡轮的背压越低。导致喷咀在非设计工况工作。在喷咀之后气体继续膨胀速度增高，并发生方向偏转。本文推导了这两参数的计算公式。由此可估算涡轮的功率变化。     

KDP晶体超精密加工机床静压主轴轴向变形分析

通过建立KDP晶体超精密加工机床气体静压主轴的三维有限元模型,在考虑主轴装配的接触关系和螺钉预紧力的情况下,计算得到了主轴结构在工作状态下的变形.计算结果表明,由于结合面和主轴受拉伸长,轴承气膜间隙增大;气体压力导致止推板从中心到边缘发生翘曲变形,止推轴承的气膜为楔形.实验结果表明,有限元模型的计算误差小于11%.     

轴承预紧力与系统固有频率关系的试验

研制了轴承预紧力测试装置,通过该试验装置对预紧力和系统固有频率的关系进行了研究.对轴承预紧力随系统固有频率变化的试验数据进行了拟合.结果表明:该试验装置从一定程度上反映了轴承的预紧特性.固有频率随轴承预紧力的增大而增大,相同的预紧力下,系统固有频率随轴承支承跨距的增大而增大.拟合得到的预紧力-固有频率-支承跨距关系式精度较高.      

涡扇发动机涡轮空气系统流动和传热性能的CFD分析

以典型的小型涡轮风扇发动机的涡轮空气系统为研究对象,用数值计算的方法研究了包括高低压涡轮盘腔、导向器内腔、轴承腔和相连的冷却气路在内的流动和传热特性.所研究的是一个多腔相连的多进口、多出口流动与传热问题,在研究中采用了流体域和固体域整体建模耦合计算的方法.根据计算结果,分析了结构参数和气动参数对该系统,尤其是其中轴承腔的温度分布的影响规律,提出了降低轴承腔温度的措施,并分析了各项措施的降温效果.充分展示了数值计算仿真在发动机空气系统分析方面的潜力.      

气冷高压涡轮模拟试验研究

为了量化评估冷气掺混对高压涡轮性能的影响,综合分析现有设备能力,采用动量比相似的模拟方法,在2个结构和测试布局相同,但叶片分别为实心叶片和气冷叶片的涡轮上进行对比试验,并借此开展冷气流量、气膜孔位置因素对涡轮性能影响的试验研究。结合试验数据对比分析不同的效率计算方法,确定有效效率为气冷涡轮效率的计算方法。试验结果表明:涡轮性能随冷气流量的增加逐渐恶化,作功能力逐渐下降,效率降低幅度呈先减小后增大趋势;从前缘至尾缘,冷气越靠后进入主流道,气体能量利用率越低,涡轮效率越低。     

涡轮复杂气冷叶盘结构变形分析模型简化方法

基于高压转子开展高压(HP)涡轮转子叶片叶尖变形分析可提高叶尖间隙的数值模拟精度,而高压涡轮转子叶片由于其复杂的气冷结构,有限元分析网格数量巨大;叶片和轮盘的榫接结构属于非线性分析,也需要足够的计算机时。针对该问题提出了一种复杂气冷叶片的简化方法和榫接结构接触计算简化方法,在不影响计算精度的前提下提高计算效率。采用该方法对典型结构高压涡轮转子进行了变形分析,与采用复杂气冷叶片模型和接触分析方法的变形分析结果进行比较。结果表明:涡轮叶片叶尖最大径向变形相对误差为0.47%,计算机时减少99%,证明简化方法和计算方法的有效性。      

基于流体网络法的喷管冷却气流量分配计算方法

流体网络法对喷管气膜冷却问题具有独特的优势,但难以反映出入流对冷却气流道静压变化的影响。针对此引入了可反映出入流导致静压变化的管道元件,并基于孔口速度落后角对静压变化量进行了建模。验证算例表明,这一改进使沿程静压变化趋势与实际吻合较好,使冷却气流量分配计算误差降低到0.5%以下。将改进后的流体网络法与主流通道的计算流体力学模拟耦合用于分析喷管冷却气流量分配,与全计算流体力学模拟相比结果差异小于1.2%,且大幅降低计算量;在某型喷管设计中的应用表明,可以有效反映冷却结构改变对冷却气流量分配的影响。      

耦合空气系统的燃气轮机拓扑自构建建模方法

为了实现通用性强、可扩展性好、灵活高效的整机性能模型通用建模,提出了一种拓扑自构建的燃气轮机整机性能通用 建模方法。基于面向对象思想,采用模块化技术构建通用部件库,再通过拓扑接口关联部件组成整机模型,建立了适用于不同燃 气轮机类型的整机性能仿真模型。耦合了多支路复杂空气系统迭代求解模型,将其作为部件嵌入整机模型,以取代现有的定比例 引气量计算方法。采用跨平台图形开发框架及图像可视化技术,开发了人机交互友好的整机性能预测平台。采用典型双轴燃气 轮机算例,与试验结果进行了对比验证。结果表明：对于动力涡轮出口温度,采用恒定引气比方式和当前耦合方法的计算结果与 试验结果对比得到的最大误差分别为3.36%和1.31%;对于出口压力的计算在多数工况下的计算精度也有所提高。提出的拓扑自 构建的燃气轮机整机性能通用建模方法实现了部件自由搭建及整机拓扑自构建,且耦合空气系统后,整机性能仿真精度显著 提高。     

空中高速路匝口排序延误研究

航空运输业的迅速发展,空中交通流量需求越来越大,空中高速路的规划和设计有助于缓解日益严重的空中交通拥挤问题。从空中高速路的基本概念入手提出了匝口容量计算方法,运用Monte Carlo方法对匝口排序进行仿真并计算匝口排序延误。考虑到匝口容量和排序延误在很大程度上受空中高速路航路流量的影响,研究了航路上不同流率情况下的匝口容量和排序延误。结果表明：该方法能够仿真和计算不同情况下的排序延误,具有很好的实用性。     

单腔离心喷嘴出口空心涡直径和平均液雾锥角的半理论预测

利用流体控制体法结合质点系动量矩守恒定理,分析了液体的黏性作用对离心喷嘴空心涡尺寸的影响机制,建立了相关理论模型,并给出了喷嘴出口空心涡直径和平均液雾锥角的半理论预测公式.同时,用多组不同工况条件下的实验测量数据对该预测公式进行了验证.结果表明:提出的预测公式计算离心喷嘴出口空心涡直径和平均液雾锥角是有效的,且具有较高的计算精度;空心涡直径的预测不确定度约为±13%,平均液雾锥角的预测不确定度在－20%~6%之间.      

气冷涡轮级流场的数值模拟方法与试验验证

采用具有TVD(total variation diminishing)性质的三阶精度Godunov格式、自由型曲面网格生成技术以及分区网格算法,对某型涡轮级进行考虑冷气掺混的全三维Navier-Stokes(N-S)方程数值求解,并将所得的结果与试验数据进行对比分析.通过分析数值模拟结果研究了该涡轮级所具有的气动特点.结果表明:所开发的快速、高效冷气掺混网格生成方法以及任意分区的流场求解算法可以满足工程上对气冷涡轮级的总体性能的快速估算及流场结构的详细描述.      

混合式动压气体轴承结构优化与可靠性分析

通过将径向、止推螺旋槽动压气体轴承相结合,建立了混合式动压气体轴承的润滑分析模型。阐述了其结构特点与润滑机理,建立轴承无量纲稳态Reynolds控制方程。提出混合式动压气膜压力耦合计算方法,推导气膜压力差分表达式,定义边界条件,构建气膜压力分布的数值计算方法。以最大径向承载力为目标优化结构参数。基于最优结构参数建立轴承气膜有限元模型,运用CFD分析轴承转子系统受不同冲击载荷时径向稳定性变化规律,研究混合式动压气体轴承动态特性与可靠性。搭建混合式动压气体轴承试验台,验证数值计算方法和有限元仿真分析的正确性。结果表明:提出的压力耦合计算方法可以准确地计算分析稳态气膜压力分布、承载力和承载性能,有限元仿真能更好地模拟动态流场变化,计算分析动态承载力、动态特性系数和稳定性。高转速下混合式气体轴承承载力、稳定性较好,对单向阶跃力、单向矩形力的抗冲击能力强,可靠性强。混合式动压气体轴承在优化承载性能与刚度的同时,应考虑抗冲击特性和稳定性以提高轴承的综合性能。      

Modelling internal air systems ingas turbine engines

Rotating-disc systems can be used to model,experimentally and computationally,the flow and heat transfer that occur inside the internal cooling-air systems of gas turbine engines.These rotating-disc systems have been used successfully to simplify and understand some of the complex flows that occur in internal-air systems,and designers have used this insight to improve the cooling effectiveness,thereby increasing the engine efficiency and reducing the emissions.In this review paper,three important cases are considered:hot-gas ingress;the pre-swirl system;and buoyancy-induced flow.Ingress,or ingestion,occurs when hot gas from the mainstream gas path is ingested into the wheel-space between the turbine disc and its adjacent casing.Rim seals are fitted at the periphery of the system,and sealing flow is used to reduce or prevent ingress.However,too much sealing air reduces the engine efficiency,and too little can cause serious overheating,resulting in damage to the turbine rim and blade roots.Although the flow is three-dimensional and unsteady,there are encouraging signs that simple ‘orifice models’ could be used to estimate the amount of ingress into the wheel-space.In a pre-swirl system,the cooling air for the gas-turbine blades is swirled by stationary nozzles,and the air is delivered to the blades via receiver holes in the rotating turbine disc.Swirling the air reduces its temperature relative to the rotating blades,and the designer needs to calculate the air temperature and pressure drop in the system.The designer also needs to calculate the effect of this swirling flow on the heat transfer from the turbine disc to the air,as this has a significant effect on the temperature distribution and stresses in the disc.Recent experimental and computational studies have given a better understanding of the flow and heat transfer in these systems.Buoyancy-induced flow occurs in the cavity between two co-rotating compressor discs when the temperature of the discs is higher than that of the air in the cavity.Coriolis forces create cyclonic and anti-cyclonic circulation inside the cavity and,as such flows are three-dimensional and unsteady,the heat transfer from the discs to the air is difficult either to compute or to measure.The flow also tends to be unstable and one flow structure can change quasi-randomly to another,which makes it hard for designers of aero-engines to calculate the transient temperature changes and thermal stresses in the discs during take-off,cruise and landing conditions.Although recent CFD research has been successful in computing these flows,it will be many years before the designer can rely on computations unless they have been validated on reliable experimental data.      

轴承腔气相介质流场的理论与试验

采用有限元数值分析和试验研究的方法,研究了航空发动机轴承腔气相介质的压力场和速度场,探讨了转子转速和密封进气量等工况参数对轴承腔气相介质压力和速度分布的影响规律,研究工作表明:轴承腔气相介质压力随着转子转速、无量纲径向坐标、密封进气量的增加而增高;气相介质无量纲切向速度随着转子转速增高而增大,随着密封进气量增大而减小.试验结果表明:随着转子转速和密封进气量的增加,气相介质压力的试验结果与计算结果吻合性均增高.通过计算和试验揭示出的工况参数对轴承腔气相介质压力的影响规律,有助于轴承腔气相介质流动物理特性研究的完整性.      

叶尖射流对风力机叶尖流场影响的数值研究

为了设计出更加适合非并网系统的风力机,采用在叶尖加入射流的方法来改变叶尖流场分布.在风力机叶片顶端沿弦长布置3个喷口,采用CFD数值模拟方法,通过改变风力机转速获得原型和带喷口的风力机模型的气动特性以及流场分布.发现在转速低于1 200r/min时,带有安装在不同位置的喷口的风力机功率增长率几乎都为零,射流在这一转速范围内对风力机的气动性能几乎没有影响.而转速高于1 200r/min时,随着转速的增大,喷口位于叶尖中部的风力机的功率增长率快速地增大,射流影响了75%以上叶高的表面的压力分布,在大转速下吸力面低压区范围较大,其叶尖涡涡量低于其他方案中,并且在下游扩散得比其他方案快,改善了风力机下游流场,提高了风力机效率.喷口布置在叶尖前缘时其叶尖涡的局部涡量较原型叶片稍大,降低了风力机功率的输出.喷口布置在叶尖尾缘时基本和原型叶片相同.该结论为设计适用于非并网系统的定桨距变转速风力机提供了基础.