亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

预旋结构影响带盖盘预旋系统流动的实验

为探究预旋结构如何影响盖盘系统内的流动特性,对不同预旋角度和进气位置的带盖盘预旋系统进行实验研究,得到了高转速下静盘表面静压和中心面总压的分布、中心面旋流系数、预旋孔排气系数以及腔内流阻系数。结果表明:预旋角度和进气位置分别影响腔内压力分布大小和分布趋势。随预旋比增加中心面旋流系数整体增加,转静腔内旋流系数与无量纲半径的-2次幂存在线性关系。预旋孔排气系数随预旋孔进出口压比的增加而增加。流阻系数随湍流参数增大而上升,随旋转雷诺数的增加而减小。     

考虑稳态温度场的涡轮叶盘振动特性概率分析

为了研究稳态温度场及离心载荷的随机变化对涡轮叶盘振动特性的影响,利用有限元方法对稳态温度场作用下的涡轮叶盘结构振动特性进行确定性分析。在此基础上,采用含交叉项的二次响应面方法对叶盘结构振动特性进行概率分析,得到稳态温度场下叶盘结构振动特性的概率分布特征,并给出温度场及离心载荷等随机变量对叶盘结构随机性振动的模态频率的影响规律。最后,根据共振考核状态及坎贝尔图,结合转速与频率的相关性提出叶盘随机性振动避共振方法,并在几个典型工况下对叶盘结构随机性振动进行了避共振分析。结果表明,随机参数3%的变化能够导致叶盘共振转速区拓宽50%以上,并造成多个共振转速区重叠现象。     

涡轮导向器缘板安装缝隙泄漏特性数值模拟

针对某航空发动机涡轮导向器,采用数值模拟的方法研究了缘板安装缝隙泄漏流对叶栅通道流场结构及叶栅性能参数的影响,对比分析了不同泄漏流压力、缝隙宽度及缝隙相对位置条件下的泄漏量,及其对叶栅性能参数的影响规律.研究发现:在压差作用下冷气通过缘板安装缝隙进入燃气主流通道并在中段的位置形成螺旋涡系,对端壁二次流产生明显影响,其作用效果沿叶高方向逐渐降低,最大影响区域为44.44%叶高.计算结果表明:随着泄漏流压力的提高、缝隙宽度的增加、缝隙与发动机主轴方向夹角的变大,叶栅的能量损失系数和泄漏量都呈现出了单调增加的趋势.在研究的参数范围内,涡轮缘板安装缝隙导致的泄漏流可使叶栅的能量损失系数增加14%~62%.      

含端面封严的转子动力学建模及振动特性分析

石墨端面封严是航空发动机中广泛采用的一种接触式封严结构,其在工作时由于转子摆动将不可避免地对转子产生非线性激励载荷。为揭示此种端面接触式封严对转子的动力学影响,以偏置盘转子-封严系统为对象,考虑转子摆动的影响推导了端面封严的非线性激励载荷,建立了含端面封严的偏置盘转子系统的非线性动力学方程,结合数值分析详细研究了端面封严诱发的转子非线性动力学响应及稳定性特征。结果表明,端面封严载荷对转子系统始终做正功,当系统阻尼不足以耗散封严载荷输入的振动能量时,转子振幅将逐渐发散并表现出失稳特征,此时转子频域响应由转子模态成分主导。通过对关键参数影响分析,发现减小封严结构接触半径、摩擦系数、轴向刚度或提高系统阻尼有利于提升转子稳定性。     

大尺寸盘榫结构件疲劳寿命优化设计及验证方法研究

针对航空发动机及燃气轮机设计中盘榫应力集中导致的结构件寿命瓶颈问题,导入三次B样条曲线优化理念,以较低设计参数调整维度代价获得了定性合理、可变性较大的榫槽优化结构,稳定提高了设计优化速率和泛化能力。面向大尺寸盘榫结构件,提出根据优化前后榫槽应力集中位置的应力水平和梯度设计模拟件进行验证,保证了大尺寸结构件设计方案验证的等效性和充分性。仿真结果显示,优化后的盘榫结构件最大应力降低45%,低周疲劳寿命提高约36倍;基于应力集中和梯度设计的模拟件验证结果与仿真结果一致,印证了优化收益和验证方法可靠性,对于大尺寸结构件疲劳试验设计具有普遍借鉴意义。     

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%。     

W型封严环表面粗糙度对间隙泄漏流动的影响

金属封严环密封结构的泄漏是影响发动机金属封严环间隙泄漏通道内气体流动的因素之一。本文采用有限元分析软件建立不同表面粗糙度下的泄漏通道模型;采用CFD 技术对不同结构的间隙内流体流动进行数值模拟,研究表面粗糙度对泄漏流动的影响;计算封严环的泄漏率,通过密封试验验证计算结果的正确性。结果表明：气体在泄漏通道内受到表面粗糙度的影响,靠近粗糙壁面处产生明显的回流现象,降低了通道内流体的泄漏流速;在接触应力不变的条件下,密封间隙的泄漏量随表面粗糙度的增大而增大,提高封严环的加工精度能够降低表面粗糙度从而增强其密封性能。     

考虑滑流影响的分布式螺旋桨布局优化设计

相对于传统螺旋桨飞机,前缘分布式螺旋桨飞机的滑流对整个机翼周围的流场特性影响更大.在分布式螺旋桨飞机动力布局设计过程中,应当考虑螺旋桨布局对滑流和机翼绕流的影响,使得机翼在滑流作用下表现出更好的气动特性.首先,基于雷诺平均Navier-Stokes方程,用等效盘代替真实螺旋桨,并采用重叠网格方法进行网格布局,优化过程中...     

考虑热流固多物理场耦合的圆周密封特性

基于圆周密封工况分析,建立了流场、温度场及结构场的多物理场耦合三维求解模型。通过热流固耦合方法计算结果分别与理论模型和试验结果对比,验证了模型正确性。分析了圆周密封流场、温度场和结构场特性,及耦合场应力和变形分布规律,得到了关键工况参数对圆周密封性能作用规律。结果表明:流场压力沿z轴负向降低,压力降梯度与密封带宽度负相关;封严气体出现不规则涡旋运动,流速沿径向降低。温度场分布较均匀,最高温度位于搭接头处。结构场分析发现最大变形和最大应力位于凸搭接头处。热流固耦合下密封环最大变形量比流固耦合下增大161%,比热结构耦合下减小09%,温度场对变形显著影响。最大应力移至密封带与搭接头过渡处,比流固耦合下增大83%,比热结构耦合下增大23%,流场与温度场对密封环应力影响较大。温差变化对变形量起主要作用。压差变化对最大应力起主要作用,对泄漏量具有决定性作用。