具有陶瓷基复合材料火焰筒的航空发动机燃烧室的设计和试验

本文讨论了陶瓷基复合材料(CMC)结构设计的特点、准则及有效的制造方法,介绍了带CMC火焰筒的航空发动机燃烧室的设计指标和试验结果.     

某航空发动机火焰筒在动载荷下的频率响应分析

在火焰筒中由于燃烧不均匀产生的脉动,会形成一个较宽频率范围的声激振动,受这种振动的影响火焰筒可能在某一个固有频率下激振,如果激振所造成的振动应力足够大,将产生高循环疲劳破坏,最终导致火焰筒局部壁面脱落[1].因此研究发动机火焰筒在动载荷下的频率响应十分必要.利用UG软件建模和ANSYS动载荷分析软件,计算求出某航空发动机火焰筒的前十阶固有频率和振型.对火焰筒在0～1000Hz的激振频率下进行频率响应分析,分析结果对火焰筒设计和排故有一定参考作用.     

火焰筒掺混孔边裂纹萌生和扩展机理研究

利用有限元法，结合瞬态传热过程研究了火焰筒掺混孔内孔边裂纹形成和扩展机理，应用应变疲劳理论和裂纹扩展分析方法对裂纹萌生时间和扩展能力进行分析。由于火焰筒在热循环载荷作用下各处升温速度不一致．引起结构上的相互约束，使掺混孔边产生循环塑性变形导致疲劳裂纹萌生；裂纹萌生后会继续扩展，但这种扩展能力有限；孔边冷却区域大小会对裂纹扩展能力产生较大影响。     

双级旋流多点喷射燃烧室试验研究

为解决高温升燃烧室点火、慢车工况的燃烧稳定性与起飞、巡航工况下高效率低冒烟燃烧之间的矛盾,对采用中心分级技术的双级旋流多点喷射直接混合(TAMDIM)组织燃烧技术的单头部燃烧室进行了试验,试验状态为慢车、起飞、亚声速巡航。通过试验获取了各个工况下燃烧室的燃烧效率、火焰筒壁温分布及冒烟值。TAMDIM燃烧室除慢车工况的燃烧效率小于0.99外,其余工况的燃烧效率均大于0.995,采用燃油分级对燃烧室效率影响很小。多斜孔发散冷却有良好的冷却能力,使得火焰筒壁温在燃烧室温升1157K下仅1005K。燃烧室在高油气比状态下冒烟数小于10,满足ICAO规定的要求。     

旋转盘腔去旋系统数值模拟

对带有管式减涡器的盘腔内流动特性进行数值模拟,研究了减涡管的长度、管径和引气鼓筒孔的外形及尺寸,对盘腔内压力损失、流动结构的影响。计算结果表明:管式减涡器对于降低引气气流的压力损失有显著作用,存在最佳的减涡管长度使得引气的压力损失最小;减涡管管径、鼓筒孔面积增大都会减少流动损失;在鼓筒孔面积一定的情况下,长圆形鼓筒孔的性能比圆形鼓筒孔的更优。     

基于燃烧室压力振荡的火焰筒结构优化

实验对比了双层与单层火焰筒的燃烧室压力振荡特性.实验结果表明:在相同的实验工况下,前者的压力振荡幅值要小.检验了基于叠加原理的多孔共振腔模型在分析上述压力振荡特性中的适用性.通过敏感性分析,探讨了在保证火焰筒冷却气分配不变的情况下,用于减小燃烧室压力振荡幅值的火焰筒结构改良方向.分析结果表明:火焰筒壁面的孔数量(孔直径)是用于减小燃烧室压力振荡工程优化的主要参数.      

航空发动机转子篦齿封严诱导的气流激振力分析

为了解航空发动机直通型篦齿封严诱导的鼓筒表面气流激振状态以及不同参数对其的影响,对航空发动机直通型篦齿封严诱导的气流激振力进行研究,对转子无偏心和有偏心两种情况进行数值仿真计算。定性分析不同偏心量、不同进动频率比对气动力的影响;利用数值计算结果确定篦齿封严诱发的气流激振力大小;根据不同进动频率下的静压分布可以进一步导出气动阻尼、气动刚度参数,得到篦齿封严转子的气动载荷边界条件。结果表明:无偏心时篦齿封严腔内的流动非定常性不明显,气流激振对篦齿封严转子的影响可基本忽略;转子存在偏心时流体腔内流动具有非定常特征,气流激振力将驱动转子进动运动;不同偏心量的静压值比无偏心量时最大可增长7%,静压幅值波动值随进动频率比增大而增大,最大可比进动频率比为0时增长达84%,对转子的动力学稳定性有一定影响。     

基于Gambit前处理的气膜冷却火焰筒壁温分析

为更好实现航空发动机燃烧室气膜冷却结构火焰筒的壁温分析和冷却结构优化,针对原有的火焰筒2维壁温计算程序开展了2次开发工作,形成了基于GAMBIT前处理的火焰筒壁温分析程序。新的计算过程采用Gambit软件对几何模型进行前处理,生成三角形网格、指定边界条件分组,通过编制前处理模块代码,对导出的网格文件进行解析,进一步将各种信息导入已有的有限元壁温计算程序,完成壁温计算分析。给出了采用以上方法进行火焰筒壁温计算和优化的实例,结果表明:该方法较为有效地克服了原方法的各项缺点,其交互性强,大幅度提高了工作效率。     

基于k-ωSST模型的同心筒发射装置流场数值模拟

围绕同心筒发射装置流场数值模拟及结构优化展开研究,流场数值模拟基于轴对称Navier-Stokes(N-S)方程、k-ω shear stress transfer(SST)湍流模型,并运用域动分层动网格方法,以同心筒初始方案为参照,研究了同心筒发射过程的动态流场,在此基础上,分别对内筒收敛段的收敛角度以及筒口扩张段的扩张角度进行了优化研究,研究结果表明:内筒收敛段使得燃气排导更为通畅,筒内的热环境有所改善,并且内筒收敛段起到了一定的防喷作用,收敛角越大,筒底热环境越好;筒口扩张段对发射过程动态流场也有明显影响,收敛角为15°,扩张角为20°时,导弹从开始发射到完全出筒过程中热环境最为良好。      

一种异型同心筒发射装置的排导性能仿真研究

为解决"大弹径、有翼导弹"的发射技术难题,提出了一种"外方内圆"非规则异型同心筒发射装置结构,并采用三维N-S方程、雷诺平均湍流模型和动网格技术对有翼导弹非定常发射过程的燃气排导性能进行数值仿真,获得导弹发射过程中燃气流场流动规律。研究结果表明:内外筒腔和导流锥处燃气流动状态良好,且异型同心筒发射装置的排导效率达到97.8%,可实现燃气的顺利排导,同时,仿真计算得到的压强、温度等流动参数与1∶1状态的地面试验结果保持一致,验证了仿真计算的可靠性。计算结果可为异型结构同心筒发射装置的工程应用可行性提供理论支撑。