高马赫数射流预冷试验装置设计及试验验证

为加速中国射流预冷技术的研究,设计了1套基于高马赫数的射流预冷试验装置。对试验装置需满足的功能流程和设计需求进行了识别,明确了试验装置的组成;对试验段和水系统的结构进行了详细设计,提出了直杆型和圆环型2种不同喷杆布局的射流段,并对使用2种射流段时试验段的流场均匀性进行了分析,认为直杆型射流段的温度场和压力场分布更加均匀;选取几种典型的试验工况,对所设计的试验装置进行了温降特性、总压恢复系数以及流场均匀性等试验验证。结果表明:试验装置总体运行良好,结构设计合理,能够完成全工况下的射流预冷试验,其温降特性、总压恢复系数和流场均匀性符合试验预期,研究成果对中国航空领域射流预冷发动机的研制具有指导意义。     

多级轴流压气机二维性能预测方法

为了满足多级轴流压气机性能预估需求,在一个流线曲率程序基础上开展了经验、半经验关系式研究。通过对文献中的损失模型进行校验及融合,建立了相匹配的损失计算模块,并改进了端壁损失计算方法;研究了利用S₁流面计算修正S₂正问题的方法,解决了基于传统平面叶栅试验数据的攻角、落后角模型与先进技术叶型之间不匹配的问题,继而发展出了一个高精度的S₂正问题计算方法。为了验证计算方法,利用3个不同负荷水平的、经试验验证的多级压气机进行了校验计算。对比表明,发展的程序对多级压气机具有很高的计算精度和稳定性,可用于多级轴流压气机性能分析。     

舰用燃气轮机棘爪式离合器结构优化

为了解决棘爪式离合器因无法承受电机产生的过大冲击载荷而失效的问题,对棘爪式离合器的结构进行分析与优化。在接口和外廓尺寸不变的条件下,采用棘爪柱销一体化设计和均载设计等方法,提出一种新的棘爪式离合器结构,并对其进行仿真分析、关键承力部件静力与冲击强度试验和舰用燃气轮机整机考核试验。结果表明:新的棘爪式离合器承载能力至少提高74%,在过大的冲击载荷作用下仍能正常工作,完全满足舰用燃气轮机的使用需求。     

基于热响应的陶瓷基复合材料火焰筒热冲击试验

连续纤维增韧的碳化硅复合材料火焰筒是航空发动机重要的热端部件之一,对其进行热冲击性能评估具有十分重要的 意义。为了考察陶瓷基材料与金属材料的连接性能及火焰筒本体特征部位的抗热疲劳性能,采用扣锁式壁面温度测试方法和基 于材料热响应试验制定的热冲击时域循环,对连续纤维增韧的碳化硅复合材料制备的航空发动机火焰筒试件进行燃气热冲击性 能研究。试验中,通过准稳定壁温获取试验得到了火焰筒试验件准定常状态时外壁面温度参数;按照加速试车原则确定了热冲击 时域循环参数;参照航空发动机100次起降对应的燃烧室经历的热载荷,以100次时域循环作为火焰筒试件试验评估的最终循环 次。试验结果表明：经100次热冲击循环后,试件考核部位表现出较好的连接性和抗热疲劳性能,为连续纤维增韧的碳化硅复合 材料制备的航空发动机热端部件的工程优选和设计优化提供了试验支撑。     

喷管面积比对推力矢量发动机特性的影响

针对矢量喷管出口面积独立无极可调控制的特点,采用数值仿真分析了偏转状态喷管面积比对矢量特性的影响机理,通过整机地面台架和高空台专项试验,获取了不同喷管面积比下推力性能、偏转推力损失、偏转效率、发动机匹配特性等数据。结果表明：非偏转状态发动机产生最大推力的喷管面积比小于气流完全膨胀对应的理论喷管面积比。发动机偏转推力损失随几何矢量角增加而增大,喷管面积比对偏转推力损失影响较小。地面台架状态相同几何矢量角下,矢量偏转效率随着喷管面积比的增大而降低,当喷管面积比达到一定值时,会出现气流分离使偏转效率进一步降低。在相同几何矢量角下,随着喷管面积比的增大,发动机节流状态转差减小,风扇工作线下移,靠近非偏转状态工作线,风扇裕度增加,工程应用中偏转状态的扩稳措施应考虑与喷管面积比的关联。     

自动优化技术在涡轮设计中的应用

为了提升计算机辅助的自动优化设计技术在航空发动机涡轮设计中应用的有效性,基于计算机辅助设计技术、CFD仿 真技术和智能优化算法,构建了集2维叶型设计优化和3维优化于一体的轴流涡轮设计优化体系。采用结合几何参数法和非均匀 B样条曲线发展了鲁棒性强、适应范围广的基元叶型参数化造型方法;结合自动结构化网格剖分、高精度CFD求解程序和智能优 化算法,开发了针对工程的高效涡轮2维叶型设计优化软件;以基元叶型为基础,发展了包括涡轮叶片3维积叠、扭转及子午流道 型线调整的涡轮3维参数化方法;耦合商业CFD软件和智能优化算法,开发了级环境下涡轮3维优化设计软件。利用3维优化设 计软件开展了某单级跨声速高压涡轮和高低压涡轮过渡段优化设计,使单级高压涡轮效率提高0.62个百分点、过渡段分离流动区 域大幅度减小。结果表明：涡轮自动优化技术能够满足工程应用需求,显著地提升了涡轮气动设计水平。     

基于快速预测模型的轮盘瞬态变形影响

针对初始设计阶段预测轮盘变形需要,发展了一种基于有限体积法的航空发动机轮盘瞬态变形快速计算方法,在Mat? lab平台编制了预测代码,利用该方法模拟了单轴发动机瞬态加速中的涡轮盘热浸润过程以及轮盘变形响应。模拟结果表明：采 用该方法可较好地预测结果,适用于航空发动机方案设计。参数影响分析表明：换热系数以及时间间隔影响轮盘温度水平;高热 传导率降低了径向温度梯度;初始温度对于盘心及中部温度有决定作用;与等厚轮盘相比,典型轮盘剖面能降低应力水平。特定 条件下的变形预测结果表明：不同因素有不同程度影响,其中初始温度影响最大,可导致65%偏差;对流换热系数以及计算时间间 隔的影响约为10%;采用等厚轮盘或假设恒定的材料属性,变形预测结果分别增大8.8%和8.3%。     

航空发动机中央传动失效故障分析

某型航空发动机在使用时发生中央传动失效故障,故障首断件为中央传动从动锥齿轮,断口性质为高周疲劳。为剖析 齿轮啮合与故障之间的关系,建立了包含主、从动锥齿轮的有限元模型,采用准静态的方法将啮合过程分成50个加载步,分析啮 合过程中从动锥齿轮应力分布情况。结果表明：在啮合过程中从动锥齿轮最大应力位置不是裂纹起始部位。通过行波共振分析、 振动应力测试、加工缺陷影响分析及故障复现试验,确定故障发生的主要原因为从动锥齿轮4节径后行波共振和啮合状态较差, 而故障位置加工状态较差对故障的发生也起到促进作用。分析结果表明：齿轮节径型振动是航空发动机齿轮主要的破坏原因之 一,在工作转速范围内节径型前、后行波振动均有可能被激起;齿轮啮合状态异常会显著提高振动应力水平。采用调整齿数、齿 宽、辐板厚度等方式可将共振转速调出常用工作转速范围,避免齿轮发生振动疲劳破坏。     

局部旋转惯性对转子系统动力特性的影响

提出了基于质心和惯性主轴空间位置的转子旋转惯性描述方法,推导了旋转惯性载荷在不同运动状态下的完整表达式,建立了考虑轮盘质心横向运动和惯性主轴角向运动的连续梁转子模型及运动微分方程。分析表明：高转速下轮盘具有“质心自动定心”与“惯性主轴自动掰正”的趋势,这种旋转惯性将提高转子系统正进动模态频率,并增大转子支点动载荷,盘-轴连接局部角向刚度是决定其影响程度的关键。在此基础上,解释了高转速下转子支点动载荷随转速提高而持续增大的原因,探究了盘-轴连接局部角向刚度对转子系统固有特性和动力学响应的影响规律,为高转速复杂结构转子动力学设计与振动故障排查,提供了理论支撑。     

回热式工质驱动分布式推进系统参数研究

为研究以回热后的压气机引气驱动推进器风扇的工质驱动分布式推进系统（Recuperated Gas-Driven Distributed Propulsion,RGDDP）,对其热力循环过程和能量流动展开研究。基于部件法建立了推进系统的设计点计算模型,分析了引气参数和推进器风扇压比对推进系统耗油率的影响,在此基础上,分析了推进系统耗油率对部件效率的敏感性。在不同循环参数下与涡轮电分布式推进系统（Turbo-electric Distributed Propulsion,TeDP）的耗油率进行了对比,得到了RGDDP的热力循环特征。结果表明,引气参数存在最优组合使得推进系统的耗油率最低,同时耗油率对能量传输相关的部件效率敏感性最高;与TeDP相比,涡轮前温度对推进系统的耗油率影响更大,而总压比的影响较小;总涵道比为20时,相对于TeDP,RGDDP具有一定耗油率收益,随着总压比的升高收益降低,总压比为66时仍有3%左右的收益。提高RGDDP总体效率的关键在于降低能量传输过程中的损失并提高换热效率。