脉冲爆震轴向载荷对双半内圈球轴承疲劳寿命的影响

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)中的周期性、强非定常轴向载荷可能导致滚珠轴承可靠性降低的问题,应用损伤力学理论和有限元法建立了PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命预测模型,研究了在脉冲爆震燃烧室(PDC)引入的周期性、强非定常轴向载荷作用下双半内圈球轴承的疲劳寿命。研究结果表明双半内圈球轴承的两个半内圈均在接触区次表面最大切应力位置处萌生裂纹,随后裂纹逐渐扩展至表面导致轴承疲劳失效。在PDC爆震阶段,由于引起第一半内圈疲劳损伤的切应力范围较小,因此第一半内圈的疲劳寿命较高;而在PDC填充和排放阶段,由于接触摩擦作用以及滚珠滚过第二半内圈时产生较大的切应力范围,从而导致第二半内圈的疲劳寿命较低。在对PDC爆震阶段引入的峰值轴向载荷进行合理设计后,PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命主要由第二半内圈的接触状态和轴承的润滑条件决定。本文的研究成果为PDTE中滚珠轴承的选型与设计提供参考。     

脉冲爆震涡轮发动机转子系统优化设计

为研制某脉冲爆震涡轮发动机样机,根据总体设计要求设计了相应的空心轴转子-轴承结构系统。基于有限元法建立 了该转子系统的理论分析模型,采用数值积分方法开展了考虑脉冲爆震非定常周期气动载荷作用的转子系统动力学特性计算。 将在临界转速处转子的振动幅值最小化作为优化目标,以转子系统各阶临界转速与发动机慢车转速及工作转速之间的裕度作为 约束条件,结合转子强度的相关要求,基于NSGA-II多目标优化算法对转子系统的支承位置、刚度及转子结构的几何参数进行了 优化设计。结果表明：优化后的转子-轴承系统满足总体设计要求,临界转速与工作转速之间的裕度超过20%,且保证了前3阶临 界转速对应的振动幅值最小化。研究方法和结果可为脉冲爆震涡轮发动机转子系统结构设计和优化提供参考。     

基于第二代非支配排序遗传算法的转子优化设计

为了减小双盘转子系统的整体振动,针对航空发动机普遍采用的典型1-0-1支承结构下的双盘转子,提出了一种使用多学科优化软件Isight与通用有限元软件ANSYS集成的分析方法。将两转盘位置作为优化变量,以一阶临界转速在10%内的变化为约束条件,采用第二代非支配排序遗传算法NSGA_Ⅱ(Non-Dominated Sorting Genetic AlgorithmⅡ)最小化过一阶临界转速时两转盘的振幅。在高速柔性模拟转子试验器上进行了试验验证,优化后,盘1过一阶临界转速时最大振幅下降了77%,盘2下降了68%,试验结果证明了该优化方法的正确性,能够有效、准确地获取转盘的最优位置,提高了转子设计的效率和质量。     

一种基于立体视觉技术的燃烧诊断方法

为了获得一种简便、易于操作的三维光学诊断方法,将双目立体视觉技术引入燃烧诊断领域,并验证了其在燃烧诊断领域应用的可行性。搭建了用于燃烧流场诊断的高速双目立体视觉系统,阐明了双目立体视觉原理并开发了配套软件,通过对标定模板上特征点进行三维重建验证了系统和软件的可用性,对特征点三维重建的绝对误差为0.17mm,相对误差为8%。实现了对非预混冲击火焰表面的三维重建,重建后的三维图像可以清晰地显示出火焰表面的三维几何结构。对一组连续拍摄的图像进行处理,得到火焰在微小时间间隔中的空间演变情况。实验结果表明,利用该技术可以实现对燃烧火焰的三维诊断,利用该技术进行的实验操作相对于其他的光学诊断方法而言也非常简单。     

爆震室长度对反传影响的数值研究

 对吸气式脉冲爆震发动机(APDE)的反传进行了数值研究,分析了反传的形成及传播特性,得到了爆震室长度对反传的影响。结果表明:反压能够影响整个进气道,缩短爆震室长度有利于降低反压强度。要使反压强度大幅下降,爆震室长度需要大幅缩短。爆震室长度较长时,增长爆震室长度对反压强度影响不大,但会延长进气道的泄压时间。反压会造成进气道内流动反向,反流速度随着爆震室长度增长而增大,爆震室较短时这个趋势更加明显。反传燃气的影响区域明显小于反传压力,当爆震室长度缩短到一定程度时,燃气不会传入进气道。爆震室长度较长时,爆震室上游与进气道下游之间的流道内会出现燃气分布不连续的现象。     

带收敛出口的单元贫油直喷燃烧室冷态和热态流动特性研究

为了研究贫油直喷燃烧室的流动特性,提出了带有收敛出口的单元贫油直喷燃烧室模型,采用数值模拟方法研究了旋流角度分别为35°,38°,40°和45°共四种模型在冷态和热态条件下的流动特性,获得了旋流角度和燃烧释热对旋流器收敛出口截面速度分布、旋流数和下游中心回流区形态的影响规律。结果表明:在冷态条件下,随着叶片角度的增加,旋流器收敛出口截面的速度分布从"内高外低"型转变为"外高内低"型,并且"外高内低"型的速度分布更有利于形成回流区;除35°旋流角以外,其他模型都能形成驻定的中心回流区。在热态条件下,燃烧释热对弱旋流流动的影响十分明显,35°旋流角收敛出口速度分布由"内高外低"型转变为"外高内低"型,在其下游形成了驻定的中心回流区,说明燃烧释热可以促进旋流流动向涡破碎方向发展;燃烧释热对冷态下已形成回流区的流动影响不大,但气体的膨胀加速会加快燃烧室内部逆压梯度的消失,导致热态回流区尺寸和长度略小于冷态回流区。     

脉冲爆震燃烧器混合室研究

利用CFD程序分别对切向、轴向和径向供气方式的混合室中油、气的混合特性进行了三维数值模拟.切向进气有助于油气的充分混合,但是油、气分布不均;轴向进气时油、气分布比较均匀,但是油气的混合不够充分;而径向进气的油气分布、混合程度介于切向与轴向进气之间.能耗较大.设计了四种混合室结构,进行了基于两相无阀脉冲爆震燃烧器(PDC)的热态试验研究,找到了利于点火、起爆迅速的混合室结构.     

吸气式脉冲爆震发动机反压传播规律研究

以汽油为燃料,空气为氧化剂,在内径为60mm的吸气式脉冲爆震发动机上进行了反压传播规律实验研究.测量了10 ～30Hz频率范围内进气道内的反传压力.实验结果表明,进气道内的反压峰值随着工作频率的增加而增加,两者基本呈线性关系.随着工作频率的增加,压力波动的时间占每个工作循环时间的比例增加.压力脉动比在20Hz时达到最大.建立了数值模型,采用小能量点火及温度梯度自适应方法,计算得到了反压的形成及传播特性.计算结果印证了反压是由于回传爆震引起的.将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明两者符合地较好.     

一种跨二阶柔性转子无试重模态平衡方法

为解决传统柔性转子动平衡方法需要添加试重、多次启动的问题,发展了一种基于无试重模态动平衡方法的柔性转子二阶动平衡方法。该方法得益于转子有限元建模技术的发展,通过Samcef Rotor获取转子平衡所需的各阶模态,结合测量所得参考点的振动信息,利用无试重模态动平衡方法计算得出平衡所需的配重大小和方位。运用该方法对试验转子分别进行了一阶和二阶平衡,每次平衡只需开车一次,平衡后一阶振幅下降59.44%,二阶振幅下降97.56%。试验结果表明:该方法可有效降低转子不平衡振动,减少平衡开车次数,大大提高了转子的平衡效率。     

脉冲爆震涡轮发动机增推装置性能试验

以液态汽油为燃料,通过在双管脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)原理样机的涡轮出口加装不同喷管和引射器等增推装置,利用试验研究了不同增推装置对自吸气工作模式下(工作频率10~20 Hz)发动机工作状态及推进性能的影响。结果表明:虽然加装3种尾喷管之后涡轮转速、压气机增压比及压气机流量都有不同程度的下降,但发动机都获得了不同程度的推力增益;相比于工作频率20 Hz时无喷管发动机推力114.95 N,发动机加装尾喷管后最大推力可达143.3 N,实现增推24.7%,最大单位推力为749.87 N·s/kg;加装引射器后可以进一步增推,发动机最大推力达到200.67 N,实现增推39.8%,同时这种增推效果随着工作频率的升高而逐渐增大。