航空发动机套齿结构配合稳健性优化设计

为了更合理地设计套齿结构的配合关系,提高套齿结构配合精度,适应不对中运行工况,降低对加工误差的敏感度,研究了航空发动机套齿结构在倾角不对中的情况下的运动特点以及配合关系,并推导了含有倾角不对中的套齿结构齿侧间隙以及与之相关的套齿特征量的计算公式,对某型航空发动机的压气机轴径套齿结构进行了计算与分析。在此基础上,考虑到参数的随机性,应用果蝇优化算法对套齿结构齿侧间隙进行了稳健性优化设计。结果表明：计算公式中考虑倾角的影响能够有效地避免运动干涉和装配预应力,稳健性优化设计可以有效地避免由于倾角不对中、加工误差等参数随机因素导致齿侧间隙的设计值偏大。证明了所提出的计算和优化方法可以使套齿结构配合关系的设计更加合理,可为套齿结构设计、装配提供参考。     

齿间凸起对直通篦齿封严特性影响的数值研究

为提升篦齿的密封性能,对在齿间光滑衬套上增加矩形凸起的直通篦齿的流动特性进行了数值研究,分析了压比、凸起的尺寸和轴向位置对篦齿泄漏特性的影响。和光滑齿相比,凸起破坏了壁面射流附面层的连续性,改变了流体在齿腔中的流动方向,有效地提高了通道的密封性能,降低了通道的泄漏量。结果表明,当压比为2时,含有凸起结构的篦齿的泄漏系数较光滑齿降低了13%,当压比增加到4时,泄漏系数更是降低了18%;凸起的高度越大宽度越小,凸起对篦齿密封性能的提高就越明显;凸起和下级齿之间的轴向距离越短,凸起对流入下级齿的气体流动方向改变就越大,密封性能也就越好。     

一种盘缘篦齿临界特性的数值分析和试验验证

采用数值模拟和试验相结合的方法,分析了临界(最大马赫数为1)工况下篦齿齿腔的内部流场,研究了旋转效应对盘缘篦齿临界特性的影响。结果表明:当进出口总压比由2.23增至2.36,SST湍流模型与试验结果最大误差为4.4%,较为准确地模拟了试验状态;临界流动截面并不一定位于真实结构最小截面处,其所处位置与篦齿齿腔形状密切相关;进出口总压比超过临界压比([p*inp*out]=2.28)后,篦齿泄漏系数仍会有所增加;当泰勒数由6.25×103增至3.75×104,旋转效应使得附面层增厚,篦齿泄漏系数减小。     

篦齿封严尺寸缩放与气流温度变化对流动与传热影响试验研究

利用矩形、梯形齿篦齿封严直通齿模型,将真实尺寸篦齿封严等比例放大,对真实尺寸模型与放大模型的流动与换热特征进行了试验研究与对比分析,并研究了气流温度变化对流量系数的影响。研究发现,放大模型与真实尺寸模型的流量系数与努赛尔数均随雷诺数增大而增大,在雷诺数相同时两者的流量系数与努赛尔数基本相等,最大差值分别为5.3%和9.7%。放大模型较好地保持了真实尺寸篦齿封严狭小空间流动与换热特征。研究还发现,在加热条件下,流量系数相比冷态条件下有所减小。     

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。     

挤压油膜阻尼器在锥齿轮系统中减振特性分析

航空发动机中央传动弧齿锥齿轮系统从高压转子上提取功率,高压转子的高转速使得齿轮系统的振动加剧。通常,采 用挤压油膜阻尼器（SFD）作为弧齿锥齿轮-转子系统的减振装置。为研究SFD在锥齿轮系统中起到的减振特性,通过建立SFD的 雷诺方程,基于有限元方法实时计算SFD的非线性油膜力,并采用有限元法及Timoshenko梁单元对柔性齿轮轴进行建模,将SFD 的非线性油膜力与弧齿锥齿轮系统的静态传动误差、时变啮合刚度相耦合,建立SFD支承下的弧齿锥齿轮系统动力学模型,对弧 齿锥齿轮系统在SFD支承下的动力学响应进行理论分析及实测。结果表明：在高转速工况下,SFD可以有效地抑制弧齿锥齿轮系 统的振动幅值,低频区域的振幅从38g 降到9.8g;理论分析和实测结果的振幅在同一量级,并且变化趋势一致,最大振幅出现在第 1阶啮合频率上,理论分析结果为19.7g,实测结果为16.9g。     

篦齿封严结构气弹稳定性数值分析

针对航空发动机中篦齿封严装置的气弹稳定性问题,用所发展的气弹稳定性分析的能量法,考查了两种不同的篦齿封严结构模型的颤振特性,对比分析了在不同节径振动下的气动功分布和模态气动阻尼比。结果表明:能量法可以用于预测篦齿封严结构的气弹稳定性,通过数值计算给出了改进前后篦齿封严结构低阶振动模态的气动功和模态气动阻尼比,改进后的篦齿结构在2节径振型下不再发生颤振,说明改进后的结构比改进前的气弹稳定性更好。      

凸起数对各封严结构封严效率影响的实验

实验用二氧化碳体积分数测量法研究了凸起数目的变化对盘腔内各参数（静压、总压、封严效率）的影响,目的是获得不同封严结构的封严效率和最小封严流量随凸起数目的变化规律。实验在主流雷诺数和旋转雷诺数为一定范围内,测量了不同封严流量下的参数。结果表明:在实验工况范围内,凸起的数目变化对腔内的静压影响较小,靠近封严环的静压变化几乎可以忽略;而总压和封严效率都和凸起数目成正比,但不同封严结构的变化程度有所不同。从整体上看,径向封严结构效率的提升最明显,轴向封严和静盘双齿封严改善较小。平均每增加一个凸起,三种结构所需的最小封严流量分别可以减少0.96%、0.30%、0.28%。此外,安装了凸起后,旋转雷诺数对封严效率的影响也会更加明显。      

基于齿廓修形的锥齿轮再制造技术

锥齿轮是航空发动机传动系统中的重要组成部分,在使用过程中容易产生齿面磨损、齿面点蚀、齿面剥落、齿面胶合等故障。文中分析了锥齿轮故障原因及再制造可行性,构建了锥齿轮的再制造判别标准,制订了以齿廓修形技术为核心的锥齿轮再制造工艺方法。通过检测渗碳层深度、硬度,试验验证,齿轮装配检查,台架试车考核表明：再制造的锥齿轮渗碳层深度、显微硬度符合设计要求,齿轮啮合间隙、着色印痕以及试车后齿面金属印痕均符合技术要求,装机试用的锥齿轮传动平稳,啮合性能好,产生的振动和噪声小。再制造成本仅为新品的11.3%,节能效果为86%,节材78%,取得了显著的经济和社会效益,具有广阔的应用前景。     

齿型对压气机级间封严特性影响的实验研究

为了对比不同齿型下压气机级间封严特性,对基准常规齿、直通针型齿、直通宝塔齿和台阶斜齿时的级间篦齿封严进行了实验研究。在压比1.05~1.30,转速0~8.1kr/min时对不同齿型的工作间隙、泄漏流量、风阻温升和出口盘腔的旋转比进行了测量。基准常规齿是级间最常用的篦齿结构,将其他三种齿型下级间封严的泄漏特性、温升特性和旋流特性与其进行对比。结果表明:随着齿顶间隙的增大,基准常规齿的流量系数先增大后减小,在间隙c=0.8mm附近有最大值;相同间隙时,台阶斜齿的封严效果最好,其流量系数比基准常规齿时小40%左右。直通针型齿、直通宝塔齿的封严效果略优于基准常规齿,三者相差不大;但是,泄漏流量越小,级间封严的温升和旋流越大。压比1.30时台阶斜齿与基准常规齿的温升比为1.5左右。另外,高转速时台阶斜齿比基准常规齿的旋转比大18%左右。