航空发动机限寿件表面特征概率损伤容限评估

为满足航空发动机适航规章(FAR/CCAR33.70)限寿件安全性评估要求,系统总结了基于特殊材料数据库、线弹性断裂力学分析与表面特征失效概率分析的表面特征概率损伤容限评估方法。以表面孔特征为例,总结分析符合适航规章要求的孔特征概率损伤容限评估流程,描述优化的孔特征评估方法,根据咨询通告AC33.70-2中带孔特征轮盘算例完成概率损伤容限评估模型的验证。结果表明:20 000循环寿命期内,不进行无损检测和在4 000及8 000循环对相互独立的90%部件进行两次无损检测的失效概率分别为2.677×10-4和1.514×10-4,符合适航算例校准要求。基于优化评估方法计算的失效概率为3.406×10-4,可初步判定表面特征适航符合性。该评估方法为限寿件表面孔特征评估提供技术支持,并对其他表面特征的评估具有一定的指导意义。      

等增益比燃油计量活门型孔设计计算

为解决普通方形、圆形、三角形等燃油计量活门型孔流量增益比变化大的问题,提出了一种等流量增益比的燃油计量活门型孔设计思路。通过理论计算得到了等增益比活门型孔曲线函数的基本形式和详细设计计算方法,并进行了举例计算。流量增益比与计量活门开度扰动量的比值为定值,两者呈正比关系,活门开度扰动量越小,流量增益比越小,即计量精度越高。与方形型孔进行了对比分析,详细说明了等增益比型孔在小流量状态下,增益小抗干扰能力强的优点,并且通过组合型孔设计,避免了等增益比活门型孔大流量状态下的增益过大问题。      

基于动态边界的跨声速压气机过渡态载荷研究

针对航空涡轮发动机压气机部件的过渡态,基于动态边界并结合双向流固耦合（FSI）方法模拟了跨声速压气机NASA Rotor 67的过渡态过程,获得了考虑叶片弹性变形的压气机过渡过程特性曲线,研究了叶片气动弹性变形对跨声速压气机加速过程中气动参数、流场激波结构演变过程的影响,分析了加速过程中非定常气动载荷与离心载荷共同作用下的叶片变形特征。结果表明:随转速升高,叶片变形对上半叶高区域的总压比和总温比的影响较显著;加速过程中,叶片变形对通道内激波结构特征及其演变有一定的影响;叶片变形主要集中在上半叶高,以弯曲变形为主导,主要由离心载荷造成,加速过程中叶尖区域的叶型出现反扭现象,从而引起压气机气动性能参数的变化。      

考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测

平均应力法用于航空发动机轮盘破裂转速预测时结果一般偏大,对于带螺栓孔的轮盘破裂转速预测误差更大。考虑局部应力效应对平均应力法进行修正,引入修正因子来表征轮盘子午面平均周向应力和危险部位局部应力对轮盘破裂转速的加权影响。通过开展典型轮盘材料GH4169的光滑试样和缺口试样拉伸试验,并开展了两件模拟盘破裂转速测量试验,得到修正因子与缺口强度比的关系,然后同时采用这两种方法对某涡轮盘的破裂转速进行了预测,并开展了验证试验。试验结果表明:平均应力法预测结果偏大,误差达到了9.4%,而考虑局部应力修正后,预测值仅略低于试验值,误差仅2.67%。考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测方法简单可靠,具有较高的工程实用价值。      

三自由度GMA油膜轴承可视化实验装置

给出了一种三自由度超磁致伸缩驱动器（GMA）油膜轴承可视化实验装置,介绍了它的组成、工作原理及调整方法。该实验装置利用涡轮蜗杆-丝杠传动机构调整实验主轴竖直高度,采用十字滑台、GMA、模具弹簧调整实验轴承在水平面的位置,方便改变实验轴承偏心率,并可利用GMA控制轴承座,减少转子系统振动。在实验台上,进行了椭圆轴承油膜的温度和压力测量以及轴心静平衡位置调整实验。结果表明:通过控制椭圆轴承短轴油膜来调整所支撑转子系统轴心静平衡位置的效果更明显。该实验台可以采集旋转速度在0~10 000 r/min之间的转子轴心轨迹、控制转子工频振动、观察油膜和气穴的形成与破裂实验,为GMA油膜轴承动态性能实验研究打下了一定基础。      

Probe design for measuring total temperature of combustor outlet based on water cooling

To obtain the outlet temperature of combustor, a kind of high-temperature and water cooling thermocouple was designed. The main factors affecting the results of thermocouple measurement were analyzed after numerical simulation. Results showed that the high-temperature water cooling thermocouple can achieve high temperature measurement under the condition of 2400K. With the increase of the distance between the water cooling structure and the stagnation cover, the temperature measurement result was more accurate, and the increase in the area ratio of the inlet and outlet of the stagnation cover within a reasonable range can make the measurement results more accurate. The surface emissivity of the measuring point had a great influence on the radiation error. The pressure and flow rate of cooling water can be effectively reduced after adding zirconia coating onto the surface of the rake body.      

缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性的改善

以NASA Rotor 67为研究对象,采用非定常数值模拟方法,开展缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性改善的研究,并且揭示缝轴向偏转角的变化对其扩稳能力和扩稳机理的影响。结果表明,不同轴向偏转角的缝均提高了压气机的稳定裕度,但是均降低了压气机的峰值效率。反叶片角向缝获得的稳定裕度改进量和峰值效率改进量分别约为24.22%和-1.19%。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,缝的扩稳能力逐渐减弱,缝带来的峰值效率损失亦逐渐减少。流场分析表明,实壁机匣时,压气机的失速类型为叶顶堵塞形式的突尖型失速。通过感受叶片通道和叶顶吸/压力面的压差,反叶片角向缝对泄漏流进行抽吸和射流作用,一方面消除了泄漏流及其泄漏涡扩散带来的负面影响,另一方面激励了泄漏流,提高了泄漏流的速度,降低了泄漏流的总压损失,增强了叶片的做功能力。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,由于缝能够利用的叶顶载荷从两个减成一个,缝的抽吸和射流作用均减弱,泄漏流的速度降低,泄漏流的总压损失提高,叶片的做功能力减弱,这就导致缝的扩稳能力减弱。     

基于数字图像相关方法微裂纹萌生试验研究

为了进一步研究疲劳裂纹在萌生阶段的特点,本文结合数字图像相关方法 (Digital Image Correlation Method,DIC)设计并组建了配合液压疲劳试验机加载的原位观测系统。同时针对DIC测量方法中的关键技术进行研究,分别提出了一种可应用于视场宽度2mm下DIC计算的微小散斑制备方法,以及空间调节方法以提高试验可靠性。最后应用该系统开展针对航空发动机火焰筒材料GH536的微裂纹自然萌生试验。通过采取两种不同的DIC分析策略,分别获得疲劳过程中的总应变幅以及最大累积塑性应变的演化规律。结果表明总应变幅演化可确定自然萌生裂纹位置,最小可识别50μm裂纹;最大累积塑性应变分析可得萌生寿命占比约85%,并在裂纹出现后塑性应变急剧增加。     

碳氢燃料热声不稳定流动特性和边界实验分析

为保障空-油换热器安全稳定运行,对竖直上升圆管内超临界压力航空燃料的热声不稳定流动进行了实验研究。阐述了管壁温度的振荡特征和热声不稳定流动的诱发原因。考察了运行参数对流动稳定工况和流动不稳定工况界限的影响。取相邻流动稳定工况和流动不稳定工况的热流密度平均值作为边界,分析了该边界随进口拟过冷度的变化情况。通过临界拟相变数和拟过冷度数的比值表征,建立了热声不稳定流动边界与进口雷诺数和相对压力关联的预测准则。结果表明:拟沸腾效应导致了热声不稳定流动现象。进口温度和运行压力越低,热声不稳定流动越容易出现。提出的边界预测准则具有较高的精度,与实验结果的相对偏差在±15%以内。     

Influence of coupled boundary layer suction and bowed blade on flow field and performance of a diffusion cascade

Based on the investigation of mid-span local boundary layer suction and positive bowed cascade, a coupled local tailored boundary layer suction and positive bowed blade method is developed to improve the performance of a highly loaded diffusion cascade with less suction slot. The effectiveness of the coupled method under different inlet boundary layers is also investigated.Results show that mid-span local boundary layer suction can effectively remove trailing edge separation, but deteriorate the flow fields near the endwall. The positive bowed cascade is beneficial for reducing open corner separation, but is detrimental to mid-span flow fields. The coupled method can further improve the performance and flow field of the cascade. The mid-span trailing edge separation and open corner separation are eliminated. Compared with linear cascade with suction, the coupled method reduces overall loss of the cascade by 31.4% at most. The mid-span loss of the cascade decreases as the suction coefficient increases, but increases as bow angle increases. The endwall loss increases as the suction coefficient increases. By contrast, the endwall loss decreases significantly as the bow angle increases. The endwall loss of coupled controlled cascade is higher than that of bowed cascade with the same bow angle because of the spanwise inverse ‘‘C" shaped static pressure distribution. Under different inlet boundary layer conditions, the coupled method can also improve the cascade effectively.