航空发动机整机空气系统流动与传热数值模拟

为了研究航空发动机整机空气系统内流动与传热特性,本文以涡扇发动机整机空气系统为对象,主要包括压气机盘腔、涡轮盘腔、低压轴前后腔、前后轴承腔等旋转盘腔和大量的流阻换热单元以及相邻的结构部件。所研究的是一个多腔相连,多进口,多出口,流固耦合传热的复杂问题,分析了发动机真实状况下空气系统内的流动与传热特性。采用Mixture多相流模型进行数值计算得到了该系统的速度场、压力场和温度场。结果表明：该系统内的流场是复杂的多涡流场,多个出口出现燃气倒灌;整个系统的腔压大致从前到后逐渐升高;由于主流通道燃气的入侵,导致高、低压涡轮盘的温度较高,后轴承腔内滑油的冷却作用较为明显。本文的工作使得对发动机整机空气系统的研究不再局限于一维计算,为空气系统的设计提供了理论依据。     

基于优选参数的回流泵送密封开启温度特性

针对航空发动机减速器轴承腔上的新型高速气液混相回流泵送密封（GL-RPS）机构,揭示了其开启过程的温度特性。 通过建立数值分析模型,分析动压槽槽数、槽深、槽坝比对密封开启力的影响,得到密封开启性能的优选结构参数,基于优选参数 进行GL-RPS的开启过程温度特性试验。基于温度特性,从开启状态、开启转速、开启温度和摩擦磨损等角度对比分析了4种密封 结构的开启特性。结果表明：在开启过程中,端面温度的变化分为3个明显阶段,分别对应密封端面的3个接触状态,可以有效监 测和表征密封开启过程;在密封未开启阶段,端面温度随转速增大而升高;在过渡阶段,端面温度随转速增大逐渐降低,端面温度 存在跳跃;在完全开启阶段,端面温度随转速增大基本不变;密封开启转速、过渡阶段转速跨度、开始开启和完全开启时的端面温 度差都随压力增大线性增大。得出了GL-RPS开启性能较好的结构参数,能有效降低GL-RPS的开启转速和开启温度,减小密封 端面磨损。研究结果可为航空发动机减速器轴承腔GL-RPS的设计提供参考,并提供了一种密封端面接触状态监测方法。     

导管长度对管式减涡器流阻与温降特性影响

采用数值模拟与模型试验研究相结合的方法对管式减涡器开展研究,分析了导管长度对管式减涡器各截面间压力损失系数、温降系数及其权重的影响。通过模型试验验证了数值模拟方法的可靠性。研究结果表明:增大导管长度可以显著降低管式减涡器压力损失的同时提高其温降。共转盘腔和导管是管式减涡器流阻与温降特性的主要影响因素,两者权重此消彼长。增大导管长度时,通过牺牲导管内压力损失和降低共转盘腔内压力损失以降低管式减涡器压力损失。快速增大的导管内温降是管式减涡器温降系数提高的主要原因。与光滑共转盘腔模型相比,当导管长度L/b=0786时,管式减涡器压力损失系数降低了8370%,温降系数提高了4502%。     

航空发动机盘腔积液的故障识别

针对航空发动机盘腔积液故障难于监测和诊断的问题,将积液问题分为早期积液和严重积液,分别进行振动特征提取。研究了不平衡量和早期积液对转子振动的影响规律,基于幅频特性曲线区域面积分布特点,提出一个早期积液故障识别准则;分析了严重积液转子失稳振动特征,发现积液转子在发生失稳时会出现振动幅值突增、次谐波分量突增和拍振,基于振动特征提出三个严重积液故障识别准则。结合航空发动机实际工况,提出一套完整的积液故障监测方法和诊断流程,能够实现在转子失稳前发出预警,避免故障升级。通过30组实验数据进行验证,所提出的积液故障识别方法准确率达96%,具备工程应用价值。     

狭缝型接受孔对径向预旋系统的影响

为提高径向预旋系统温降减少系统的流动损失,运用数值模拟方法对比分析不同长宽比的狭缝型接受孔及传统直孔型接受孔对预旋系统温降流阻特性的影响。结果表明,随着狭缝长宽比在1~10范围内增加,接受孔有效流通面积增大,喷嘴出口气流流速及系统无量纲质量流量均增大;当旋转雷诺数大于2.6×106时,系统温降随着狭缝长宽比的增加而增加,总压损失随之先增加后趋于稳定。长宽比为6~10的狭缝型接受孔较传统直孔型接受孔有更高的温降及较高的压力损失。当旋转雷诺数等于7.9×106,长宽比为10的狭缝式接受孔较传统直孔接受孔系统温降系数增加36.7%,总压损失系数增加2.2%。     

矩形隔离段内激波串结构及其影响因素分析

隔离段是超燃冲压发动机的重要组成部分,主要作用是隔绝燃烧与进气道的相互干扰。隔离段中存在的复杂流动现象一直是人们研究和关注的重点。利用三维数值模拟方法对矩形隔离段激波串特性影响因素进行了研究,主要分析了不同来流马赫数、单侧和对称扩张角以及壁面凹腔等因素影响下的激波串特性。结果表明:在高来流马赫数条件下,隔离段内激波串长度变短,隔离段抗反压能力增强,总压损失增大;在单侧和对称扩张隔离段内的激波串结构存在差异,且隔离段后的流场总压损失与扩张形式无关;隔离段添加壁面凹腔后,在不同反压下会出现2种模态（亚临界凹腔模态和超临界凹腔模态）,2种模态下隔离段内激波串结构及流场参数特性有所不同,超临界凹腔模态下隔离段抗反压能力下降,总压损失增大。本文的研究结果可为隔离段和燃烧室设计及试验提供参考。     

航空发动机主轴承安装座变形失效问题

针对航空发动机主轴承安装座结构的变形失效问题,综合考虑构件的材料性质、结构特点、工作状态及加工过程,研究其变形失效原因及变形控制措施。提出利用有限元分析软件ANSYS进行轴承座强度、刚度校核的方法,根据不同加工阶段的特点控制轴承座加工过程中的残余内应力的措施,以及正确借助高精度、高效率的三坐标测量机进行轴承座尺寸及形位检测的方法,为控制航空发动机主轴承安装座的变形问题提供理论指导。     

含内热源的多孔方腔自然对流非正交MRT-LBM模拟

为了增强多孔方腔内流体流动与传热效果,采用非正交多松弛格子Boltzmann方法（MRT-LBM）对含有内热源的多孔方腔自然对流传热现象进行了数值模拟。研究了不同冷源布置方案（Scheme A~Scheme F）、内热源结构形式（Case 1、Case 2、Case 3）、内热源位置（a、b）、Darcy数、Rayleigh数等对多孔方腔内流体流动与传热的影响。计算结果表明:冷源布置方案对腔内流体流动与传热具有重要影响,当冷源左右对称布置时,腔内温度场及流场亦对称分布;在高Rayleigh数下采用Scheme A的双上部冷源布置方案能明显提高腔内的传热强度;内热源的形状对腔内对流传热影响很大,高Rayleigh数下,Case 3的布置方式更好。内热源的位置a和b对腔内的传热影响明显,提出了热壁面平均Nusselt数与位置a的拟合关系式,存在最佳的位置a（a=0.25）,使得腔内的对流传热最强;热壁面平均Nusselt数亦随b值变化表现出特定的变化规律。随着b值的增加,热壁面平均Nusselt数呈现先增后减再增的趋势。      

载荷分布对空气静压轴承振动特性的实验

针对空气静压轴承涡激振动问题,以圆盘型小孔节流空气静压轴承为研究对象,基于涡流激振原理和振荡流体力学理论,分析了气膜的动态特性和流体激振稳定性;采用平面流函数分析了三维气旋涡量分布特征;最后利用实验测试及理论研究相结合的方法分析了载荷分布对气浮轴承微振动特性的影响规律。研究发现：空气静压轴承的微振动本质上是气膜流场内的非定常流动引起的涡旋和壁面之间的耦合作用,即压力脉动和涡量分布决定的。轴承表面的载荷分布情况直接决定气膜高度方向的压力梯度和能量转化趋势;供气压力和气膜厚度的改变直接影响气膜内总能量输入和流动过程中能量损耗及转化形式。     

高速气膜镶装式浮环密封的开启特性

针对应用于航空发动机的高速气膜镶装式浮环密封, 探究密封在不同结构参数、启动方式、材料结合等多因素下的开启性能。建立镶装环-石墨环-跑道的固体域模型和气膜流体域模型, 得到了工作气膜厚度、气膜流场压力分布;计算密封受力, 得到了密封上浮力、闭合力和开启转速等密封开启性能参数。分析镶装环与石墨环的厚度比和宽度比、镶装环-石墨环配对材料、镶装环-跑道配对材料等因素对密封开启转速的影响。搭建浮环密封试验台和浮环位移监测系统, 通过试验验证了数值模拟结果。研究结果表明:浮环的镶装结构能有效改善升温时石墨环与跑道间隙减小而导致密封失效的问题;镶装环材料是影响密封开启性能的敏感参数, 密封开启性能随材料线膨胀系数的升高而快速降低;镶装环与跑道的材料配对情况是影响密封开启性能的重要因素, 镶装环与跑道材料相同时, 石墨环与跑道处于“恒间隙”状态, 在复杂温度工况下密封的开启性能更加稳定;不同的工作机组启动方式对密封开启性能影响较大, 发动机采用将转速增加至工况转速再增压的启动方式时密封开启性能最好;浮环密封在高转速、高压力工况下因转速、压力变化产生的密封扰动值更大, 浮环密封应避免在较高压力和转速下长时间调节工况参数。研究结果为航空发动机镶装式浮环密封的结构设计、材料选用、系统设计的研究提供了参考。