航空发动机热端部件在中欧适航体系中的典型适航条款梳理及差异性研究

国际联合研制民用航空发动机在适航取证阶段需要表明相关条款的符合性,同时要解决条款差异带来的取证问题。以中法联合研制民用涡轴发动机为背景,针对取证技术难度较高的热端部件适航条款,从选取热端部件典型条款出发,确定并追溯条款的演变历史,梳理条款内涵要求并分析在中欧适航体系中的差异性,从而明确适航标准要求,为审定基础的确定提供参考,同时支撑中欧联合研制民用航空发动机的适航取证。     

基于载荷当量安装误差的面齿轮振动特性

以面齿轮传动系统为研究对象,考虑载荷作用下面齿轮传动系统中支撑结构变形和轮齿弹性变形,通过将传动系统变形等效到面齿轮和直齿轮安装误差方向,建立包含当量安装误差的面齿轮多自由度耦合振动分析模型;采用4阶Runge-Kutta法求解了面齿轮传动系统运动微分方程,得到了当量安装误差对面齿轮振动加速度和法向动态啮合力的影响;开展了面齿轮动态特性测试试验,试验结果表明:偏置距误差和轴交角误差引起的面齿轮沿x方向振动加速度大于沿z方向振动加速度;偏置距误差对面齿轮x方向振动加速度的影响大于轴交角误差。      

氧化层非均匀增长对热障涂层应力分布的影响

利用扫描电镜对不同氧化程度的热障涂层(TBCs)进行观察,分析发现热生长氧化层(TGO)各部位并非均匀增长。假设热生长氧化层的形状为正弦曲线,用统计方法处理扫描电镜图片可以得到热生长氧化层的基本几何参数。由此建立单波形二维轴对称有限元模型,计算并分析了非均匀增长模型的应力状况。结果表明:相同温度下,非均匀增长模型的轴向、剪切和Mises应力分量的变化趋势与均匀增长模型的对应趋势一致;但是非均匀增长模型的各个应力分量最大值均小于均匀增长模型的应力分量最大值。      

平流层电动机控制器热特性仿真分析和实验

为得到某电动机控制器在平流层低温低气压环境下工作时的热特性,开展了基于软件Icepak的热仿真分析,并通过地面环境模拟实验和平流层飞行实验对仿真模型进行了验证,仿真结果与实验结果基本吻合。结果表明:控制器的热设计可以满足保温和散热要求;在平流层低气压条件下,内部风扇可有效地保持控制器内部温度的均衡;平流层高度的太阳辐射对控制器内部温度分布有较大影响,在进行热设计时应予以考虑。研究结果为平流层电动机控制器的工程应用提供重要的参考依据。      

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。      

航空发动机双转子系统“临界跟随”现象的机理及影响

为了探明“临界跟随”现象导致航空发动机振动居高不下的产生机理,建立了考虑中介轴承的双转子动力学模型,推导了双转子发生“临界跟随”现象时参数之间的关系,分析了“临界跟随”状态下转子系统的动力学特性。结果表明:“临界跟随”现象会导致转子系统无法越过盘偏摆振型临界转速,造成转子振动对不平衡质量分布极其敏感,其主要影响因素为盘极转动惯量与直径转动惯量的比值(简称惯量比)以及双转子增速比;当高压盘等效惯量比等于1,或增速比与任意低压盘惯量比相等时,转子系统表现出高压激励条件下的“临界跟随”特征;当低压盘惯量比等于1,或增速比与高压盘等效惯量比的乘积等于1时,转子系统表现出低压激励条件下的“临界跟随”特征。提出了必须严格控制航空发动机叶盘的等效惯量比以及双转子转速控制律的设计建议。      

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果;在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

4J29可伐合金超声振动辅助钻削试验研究

4J29可伐合金由于具有和奥氏体不锈钢相近的难切削特点,传统钻削制孔质量较差,为了研究4J29可伐合金制孔质量的影响因素,提高制孔质量,对4J29合金进行了不同加工参数下的普通钻削和超声振动辅助钻削试验并对钻削轴向力、孔径误差、孔壁粗糙度进行了测量。试验发现:4J29可伐合金在不同加工参数下(切削速度v=0.314～0.942m/s,进给速度f=10～30mm/min),超声振动辅助钻削可降低钻削轴向力,轴向力平均降低35.37N,降幅为18.45%;超声振动辅助钻削可提高制孔精度,孔径误差平均减小17.9μm,降幅为31.5%;超声振动辅助钻削可提高表面质量,对于轮廓算术平均偏差Ra,超声振动辅助钻削使其平均降低了0.4862μm,降幅为28.4%,微观不平度十点高度Rz平均降低了2.4940μm,降幅为20.0%。试验表明超声振动钻削4J29可伐合金比传统钻削加工更具优势,可获得质量更高的加工孔。     

基于轴承衬套典型构件的微动磨损问题研究

以航空发动机附件机匣轴承衬套为例,从微动磨损问题出发,对轴承衬套工作条件、使用工况进行分析,结果表明轴承衬套磨损为典型的微动磨损现象,并开展了轴承衬套微动磨损试验,复现了轴承衬套磨损现象,验证了理论分析结果。通过本文研究确定了航空发动机附件机匣轴承衬套微动磨损发生的影响因素,并针对这种典型结构提出预防微动磨损问题发生的改进方案,对其中的铝材料表面硬质阳极化方案开展了发动机验证,结果表明对解决铝轴承衬套的磨损问题有明显效果。     

考虑空腔的高超声速多流动区域同步数值模拟

先进的高超声速飞行器具有薄壁空腔结构,在飞行过程中受热会产生空腔内气体流动现象,从而影响流场和结构的温度分布。采用数值方法准确模拟高超声速流场、结构温度场和空腔内流动对热结构分析是很有必要的。以研究空腔流动对结构温度分布影响为目的,发展了一种适用于多流动区域流场/结构温度场耦合问题的同步计算方法,并以高超声速带空腔结构物体为例,数值研究了其外部气动热/结构热传导引起的空腔热对流问题。以已发展的高超声速外流场/结构温度场同步计算方法为基础,为了进一步考虑空腔内低速流场,采用了预处理矩阵方法。在流场与结构温度场的交界面两侧分别引入虚拟单元,从而高效地实现相邻场之间物理信息交换。首先通过标准算例验证了方法在求解单独气动热/结构热传导问题以及空腔自然对流问题中的准确性。进而对封闭和带有开孔的两种高超声速运动圆环分别进行多流动区域同步数值模拟。计算结果表明,由于结构温度不均匀引起的空腔内热对流反之也会对结构温度场分布产生轻微的影响。在空腔内气体流动的影响下,封闭圆环的前缘温度在35s内最多下降0.8%左右。对于带开孔空腔的圆环,其孔壁周边温度在0.5s内能够超过外流前缘驻点温度。