微小型航空燃气轮机离心叶轮拓扑优化设计

离心叶轮是微小型航空燃气轮机中的关键部件,要求其在满足气动性能的前提下,尽量减轻结构重量,传统设计制造技术已基本发挥到极致,但增材制造技术及拓扑优化设计方法的发展为其进一步优化设计拓展了新的空间。针对某型航空微型燃气轮机离心叶轮减重设计问题,依托增材制造和拓扑优化设计技术,在现有设计的基础上,首先对离心叶轮进行静强度分析,然后开展基于骨架模型的离心叶轮拓扑优化设计及可实现的工艺设计,最后对优化后的模型进行校核。结果表明：该优化设计模型实现离心叶轮减重8.7%,进一步提高了微小型航空燃气轮机的功重比;同时最大变形减少7.5%,最大等效应力减少0.59%,提升了离心叶轮工作时的安全裕度。     

三维环境下离心/斜流压气机二维叶型优化设计

考虑离心/斜流压气机转子叶片通道内流动的强三维性,提出在三维环境下进行二维叶型优化设计.通过对能量方程中黏性耗散项改进,解决了Denton黏性体积力方法模拟离心/斜流叶轮三维流场效率偏高的不足.将改进流场计算模块与并行遗传算法寻优模块相结合,构成离心/斜流压气机二维叶型优化设计软件.采用所研制的软件,分别对离心叶轮和斜流叶轮叶尖处叶型进行优化设计.优化叶片基本达到目标流量和压比,在整个工作范围内效率都提高明显:在设计点离心叶轮效率由0.938提高到0.947,斜流叶轮效率由0.899提高到0.918.      

叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用

主要介绍了电容式叶尖间隙测量系统的各组成部分,间隙测量设备在离心压气机试验件上的安装方式和标定方法。通过对离心压气机试验件的叶尖间隙进行实时监测, 获得了离心叶轮进口、中间和出口截面叶尖间隙随转速增加而减小的关系,保证了试验的安全性和试验件的完整性。分析叶尖间隙和转速关系可以为后续减小叶尖的冷态间隙和优化离心叶轮叶尖流道和叶轮外罩流道提供试验数据支持,叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用为确定最佳的叶轮间隙及以后的型号研制提供了重要的数据支持。      

基于双循环的离心叶轮多学科可靠性优化设计

 针对传统多学科设计优化方法中未能考虑不确定因素的问题,开展基于可靠性的多学科设计优化(RBMDO)方法的研究。以离心式压气机叶轮为对象,综合考虑工作状况和材料参数等随机性因素的影响,利用改进的一次二阶矩(AFOSM)法进行可靠性分析,通过双循环策略将多学科可行优化方法与可靠性分析相结合,合理引入近似技术,建立了基于可靠性的多学科设计优化系统。对某离心叶轮进行多学科可靠性优化设计的算例表明,在满足所有可靠性指标的前提下,该方法可实现离心叶轮综合性能的提高,并有效地缩减设计周期。     

高压比离心压气机串列叶轮内部流动机理研究

为了探索串列叶轮的设计方法和实际应用,在常规离心叶轮的基础上,利用轴流压气机和离心叶片设计方法实现了串列叶轮设计,借助经过校核的数值模拟手段,对带串列叶轮的离心压气机内部流动进行了详细数值模拟,研究了诱导轮和导风轮之间相对周向位置对串列叶轮内部流场及气动性能的影响。研究表明:串列叶轮的引入能够不同程度改善离心压气机性能,且诱导轮与导风轮之间的相对周向位置对气动性能具有较大的影响,在λs=25%周向相对位置下,串列叶轮的引入使得压气机级综合裕度和峰值效率分别提高了1.3%和1.4%。与常规叶轮相比,合理布局的串列叶轮能够有效控制离心叶轮内部附面层的发展并改善离心叶轮内部流场特性以及离心叶轮出口流场品质,从而有效提高高压比离心压气机的性能和稳定工作裕度。     

一种采用遗传算法优化离心叶轮结构的方法

针对高功重比航空发动机离心叶轮结构减重需求及传统多目标优化难以实现全局优化的特点,以强度计算模块获取的全局样本数据为基础,对代理模型生成的响应面采用多目标遗传算法反复迭代寻优。利用整体-局部的结构优化过程,获得参数化离心叶轮结构设计的全局最优解,并结合应力质量分数与叶尖变形分布的对比,验证了离心叶轮结构优化对结构性能的影响。结果表明:运用Kriging代理模型-遗传算法分步优化,能有效提高离心叶轮结构质量的利用率,改善结构稳定性,获取目标最优结构。     

基于Kriging模型的离心叶轮结构优化设计

研究了以减重为目标的航空发动机离心叶轮结构优化问题,将Kriging模型与遗传算法相结合,应用拉丁方试验设计和有限元分析生成初始样本数据,利用初始样本数据建立离心叶轮重量和最大应力等状态参数的Kriging模型,运用遗传算法对该Kriging模型在设计空间进行全局寻优,利用有限元分析方法计算近似最优设计点的状态参数,并以此更新已有的设计样本数据,不断提高Kriging模型的近似精度.计算结果表明,基于Kriging模型-遗传算法的离心叶轮结构优化设计方法不仅可以获得良好的优化结果,比直接用遗传算法寻优减少了大量计算时间,提高了设计效率,同多项式模型-遗传算法相比也有效率优势.     

高负荷带转速差的离心串列叶轮流动机理研究

为了充分利用材料应力极限,探索高负荷离心压气机的设计方法,在常规离心叶轮的基础上,利用新的设计思路实现了带转速差的离心串列叶轮设计,采用经过校核的数值计算方法,对带转速差的离心串列叶轮压气机内部流动进行了详细数值模拟,从性能与流场细节分析了传统离心叶轮与带转速差的离心串列叶轮的差异。结果表明:相比于常规叶轮,合理布局的带转速差的离心串列叶轮在设计点整级等熵效率提高了1.96%,压比提高了0.14;激波与附面层相互作用引起的损失减小,二次流引起的"射流-尾迹"流动结构得到抑制;叶片载荷分布得到重新分配,改善了叶轮出口流场品质,降低了叶轮出口处绝对马赫数,扩压能力与无叶扩压段的总压恢复系数得到进一步提升,从而有效提高了整级压气机全工况性能。     

轴径流组合压气机中动叶尾迹与势流叠加特性的数值研究

对一级轴流和离心叶轮组成的组合压气机非定常流场进行模拟,通过影响因素分组法,讨论了上游轴流叶轮尾迹与下游离心叶轮势流共同对中间静叶气流非定常流动的干涉特性及离心叶轮势流单独对静叶气流非定常流动造成的影响,并得到轴流叶轮与静叶间、轴流叶轮与离心叶轮间和静叶与离心叶轮间的干涉现象对下游离心叶轮进口气流产生的影响.结果表明:当上游轴流叶轮叶片尾迹和下游离心叶轮势流在中间静叶流道内发生耦合叠加时,会导致两种影响因素出现彼此相互激励或抑制现象;在离心叶轮进口处,轴流叶轮与静叶间、轴流叶轮与离心叶轮间和静叶与离心叶轮间的叠加干涉相位不同,将会导致此处气流产生畸变,直接影响离心叶轮进口气流角的非定常波动幅值.      

组合压气机气动优化设计与试验验证

以轴流-离心组合压气机为研究对象,根据机械加工改铸造加工节约生产成本的改进目标,对离心叶轮和径向扩压器进行优化设计。全三维数值仿真结果表明,优化设计方案提高了该组合压气机的性能和喘振裕度,达到了优化设计目标。优化设计虽然恶化了离心叶轮与径向扩压器尖区流动,但对离心叶轮叶中及以下区域和后排通道内流动的改善较明显,且对前面的轴流级叶排内部流动基本无影响。试验验证表明,优化设计压气机的性能满足设计指标要求,优化设计技术得到充分验证,为后续类似设计积累了经验。     

整体叶轮的数控电解加工及其在航天制造中的应用前景

综述了整体叶轮的主要加工方法及其比较，就数控展成电解加工的重要技术特点(可以综合发挥数控技术和电解加工两者的技术优点)进行了论述，展示了数控电解在加工整体叶轮、解决以数控铣、精密铸造难加工或不能加工的技术难题方面所显示的优越性。该项工艺技术对于新型航天发动机的研制具有重要意义和广阔的应用前景。     

直纹面叶轮刀具轨迹规划的研究(英文)

At present, most commercial computer-aided manufacturing （CAM） systems are deficient in efficiency and performances on generating tool path during machining impellers. To solve the problem, this article develops a special software to plan cutting path for ruled surface impellers. An approximation algorithm to generate cutting path for machining integral ruled surface impellers is proposed. By fitting sampling data points of an impeller blade into a curve, a model of ruled surface blade of an impeller is built up. Furthermore, by calculating the points where the cutter axis vector intersects the free-form hub surface of an impeller, problems about, for instance, the ambiguity in calculation and machining the wide blade surface with a short flute cutter are solved. Finally, an integral impeller cutting path is planned by way of an integrated cutter location control algorithm. Simulation and machining tests with an impeller are performed on a 5-axis computer numerically controlled （CNC） mill machine, which shows the feasibility of the proposed algorithm.     

An automated approach to calculating the maximum diameters of multiple cutters and their paths for sectional milling of centrifugal impellers on a 4?-axis CNC machine

Power generators and chemical engineering compressors include heavy and large centrifugal impellers. To produce these impellers in high-speed machining, a 4?-axis milling machine(or a 4-axis machine plus an indexing table) is often used in the industry, which is more rigid than a5-axis milling machine. Since impeller blades are designed with complex B-spline surfaces and impeller channels spaces vary significantly, it is more efficient to use multiple cutters as large as possible to cut a channel in sections and a blade surface in patches, instead of only using a small cutter to machine a whole blade and a channel. Unfortunately, no approach has been established to automatically calculate the largest diameters of cutters and their paths, which include the indexing table angles. To address this problem, an automated and optimization approach is proposed. Based on the structure of a 4?-axis machine, a geometric model for a cutter gouging/interfering the impeller is formulated, and an optimization model of the cutter diameter in terms of the indexing table angle is established at a cutter contact(CC) point on a blade surface. Then, the diameters of the tools,their orientations, and the indexing table angles are optimized, and each tool's paths are generated for machining its corresponding impeller section. As a test, an impeller is efficiently machined with these tools section by section; thus, this approach is valid. It can be directly used in the industry to improve efficiency of machining centrifugal impellers.     

基于数值优化方法的离心压气机工作轮气动设计

将三维N-S方程流场计算、网格自动生成、Hicks-Henne函数叶型和子午面流道参数化与单纯形法寻优相结合,研究构成离心压气机工作轮自动优化设计软件。采用本文方法进行气动优化设计,流场计算要求有较高精度。对Krain工作轮的计算并与实验结果比较表明,流场计算程序具有令人满意的计算精度。在目标函数设定时,兼顾非设计点性能达到在设计转速下整个流量范围内的气动性能优化。采用所研制软件,对两个离心压气机工作轮进行优化设计,优化工作轮达到在压比近似不变的前提下效率有效提高。     

数控电解加工整体叶轮的关键技术

以平行直纹型面的数控展成电解加工为例，对数控电解加工整体叶轮的主要关键技术，包括成形规律、展成运动、数控编程、阴极设计制造、机库及多轴联动数控系统、典型叶轮加工工艺逐一进行了介绍。     

微小流量离心压缩机叶轮流场性能模拟计算

设计了一种空气工质低压比的微小流量、高转速离心压缩机三元叶轮,并对其流场特性进行数值模拟.研究表明:该类叶轮出口与进口区域面积比小于1;采用高转速可以改善该类叶轮的效率;叶轮的最佳叶片数较源于大流量低转速离心压缩机理论的叶片数经验公式计算值要小;叶轮出口角一般在60°以上;叶尖顶部间隙增大时,叶轮总压比及效率显著下降.研究方法和结果为飞机高性能空气循环制冷系统和蒸汽压缩制冷系统中微小流量高转速离心压缩机的工程化设计提供了有益的参考.      

超燃冲压发动机/机体一体化优化设计

构建了包括前体/进气道、燃烧室、尾喷管/后体的一体化性能计算程序和优化设计平台,对性能计算程序的适用性进行了验证.进行了燃料为氢的超燃冲压发动机/机体一体化优化设计,对优化设计得到的超燃冲压发动机/机体一体化构型进行了二维数值模拟.计算结果表明:氢燃料超燃冲压发动机/机体一体化性能计算程序准确性较好,优化结果具有较高可...     

离心压气机通流/造型/CFD参数化优化设计集成反问题方法

在自主开发的离心压气机通流/造型反问题设计程序的基础上, 发展了一套离心压气机的通流/造型/CFD于优化设计程序系统下集成的反问题方法, 建立了离心压气机的参数化优化设计平台.采用“试验设计+响应曲面模型+近似优化”的快速优化算法, 对一个10 daN推力级微型涡喷发动机的离心压气机进行了多准则气动优化.结果表明, 这种过程集成的快速优化方法是很有效的.      

重气体离心压缩机三元叶轮的设计及实验

利用一种基于准三元流动理论S2流面的逆命题方程, 研究了重气体离心压缩机三元叶轮的设计方法及提高性能的措施。对设计的两个三元叶轮模型级进行了实验测量, 获得了优良的性能曲线。还研究了不同工况下叶轮出口动压分布, 分析了各部件的损失特性。      

高效粒子群算法研究及飞翼无人机气动隐身优化设计

针对飞翼布局无人机气动隐身多目标优化设计问题,以无人机翼面为设计对象,开展气动、隐身多目标优化设计研究。采用FFD方法实现飞翼布局的参数化表达;分别采用基于雷诺平均N-S方程的计算流体力学方法(CFD)及大面元物理光学法(LEPO)配合一致性几何绕射理论(UTD)计算边缘绕射场的RCS分析方法计算飞翼布局无人机的气动、隐身性能;选择结合基于动态超体积期望改善(EHVI)加点的动态Kriging代理模型与ASMOPSO算法的高效多目标粒子群算法对飞翼布局无人机进行综合寻优设计研究。在较少的调用真实目标函数的情况下,获得了比较优秀的Pareto前沿,通过对所选解的分析比较可知优化后的飞翼布局无人机在气动及隐身方面均优于原始构型。