航空发动机法兰接触热阻特性实验研究

通过搭建法兰接触热阻实验台,在法兰间隙0～0.75 mm、螺栓拧紧力矩20～40 N·m参数范围内,测量不同材料机匣多个轴向位置的壁温来获得通过法兰的热流,得到法兰的接触热阻、单位接触热导。分析了法兰间隙、螺栓拧紧力矩对法兰接触热阻特性的影响。研究结果表明随着法兰间隙的增加,接触热阻呈线性增加,最大增加0.03 K/W,单位接触热导先迅速减小,后趋于平缓,最大降低了10 744.2 W/(K·m2),约94.5%;随着拧紧力矩的增加,接触热阻减小,最大降低了22.1%。     

预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响

先进航空发动机与燃气轮机热端部件的服役温度不断提高,对热障涂层性能提出了越来越高的要求。在涂层中引入一定密度的周期分布表面裂纹,可以同时提升其隔热性能和服役寿命,是一种极具潜力的先进热障涂层技术。然而,目前关于这种涂层中表面裂纹形成的力学机制研究尚不充分。以等离子喷涂热障涂层表面裂纹的形成过程为对象,发展了考虑热应力的多层结构剪切滞后模型,推导了表面裂纹形成前陶瓷层内应力场与位移场的解析解,获得了不同预热温度下陶瓷层内平均应力、平均应变能密度及总应变能随涂层厚度的演变规律,发现：在表面裂纹形成前,陶瓷层内平均应力和平均应变能密度不随其厚度改变,而总应变能随其厚度线性增大,这说明陶瓷层内总应变能是衡量能否在涂层中形成表面裂纹的关键参量;在其他喷涂参数不变的情况下,预热温度越高,表面裂纹越容易形成。本文阐明了预热温度对表面裂纹形成的影响,为实现高热障和高应变容限热障涂层的可控制备提供了理论指导。     

强电磁脉冲下柴油发动机系统薄弱环节识别

为识别强电磁脉冲环境下柴油发动机系统的薄弱环节,提出了一种加权故障树和分层贝叶斯网络相结合的柴油发动机系统薄弱环节识别方法。该方法综合考虑同层单元失效的相关性,加权故障树的局部应用解决了部分条件转移概率表不易获取问题。运用贝叶斯网络双向推理功能,首先,通过柴油发动机辐照试验和电磁仿真软件获得的各部件敏感度阈值及电磁应力数据,计算出强电磁脉冲下部件级到系统级的先验失效概率;然后,依据贝叶斯概率公式计算在发动机失效条件下各部件故障的后验概率,并排序以识别其薄弱环节,为电磁防护方案的设计提供参考和建议。以宽带高功率微波(WBHPM)辐照为例,说明了柴油发动机系统分层贝叶斯网络故障模型参数获取与概率计算过程。结果表明:执行器和凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器既为柴油发动机系统的重要部件,也为较薄弱环节,是需要重点防护的对象。      

液体火箭发动机涡轮泵用机械密封温度场及热载变形研究

基于ANSYS数值计算软件,建立了液体火箭发动机涡轮泵用机械密封的二维稳态传热模型,依靠经验公式确定了模型的对流换热系数。计算了密封环的温度场和热载变形,分析了密封端面比压、回流流量以及不同材质对密封温度场的影响规律。结果表明:密封端面最高温度发生在靠近密封环内径处,且密封端面比压越大密封环温度梯度越大;密封环热载变形呈收敛间隙,最大变形发生在动环端面的外径处,其值约为2.2μm;密封环端面最高温度随回流流量增加而减小,当回流流量从0.1~0.6 kg/s变化时,密封环端面最高温度可降低18%(从100℃降至82℃);当回流流量增大到0.3 kg/s时,继续提高对密封环端面温升的控制不再显著;采用高导热系数的摩擦副材料能够显著降低端面温升和温度梯度,提高密封工作可靠性。     

ZL104局部阳极氧化工艺研究

研究了铝合金材料阳极氧化理论以及ZL104铝合金材料局部硫酸阳极氧化处理后膜层粘脱现象产生的原因与机理,指出了该现象产生的原因是氧化膜在贮存、水试等环节受到污染而使氧化膜的封孔结构被破坏.根据理论分析和模拟试验结果,提出了局部阳极氧化前增加水封闭处理对氧化膜进行修复的工艺技术.该项技术可有效杜绝氧化膜层粘脱现象.采用该项工艺技术制造的液体火箭发动机已经用于常规运载火箭系统,该运载火箭已经完成飞行任务考核.     

凹槽对涡轮叶片前缘换热特性影响的实验研究

为了探究带有凹槽造型的涡轮叶片前缘结构的换热特性,采用瞬态热色液晶技术研究了凹槽对涡轮叶片前缘外表面换热系数的影响,获得了不同主流雷诺数以及湍流度下涡轮叶片原始前缘结构及带两种不同深度凹槽的前缘结构外表面的换热系数分布数据,并采用努塞尔数评估对比了三种结构下的换热特性。实验结果表明：原始前缘结构存在高换热系数区,随着湍流度的增大,高换热核心区显著增大;由于凹槽对滞止区域的流动产生了影响,带凹槽的前缘结构在不同工况下均表现出将原始结构高换热核心区分割为凹槽两侧突出边缘的高换热区和槽内低换热区的分布特征;凹槽可以显著降低前缘表面的换热强度,带浅凹槽的前缘结构在前缘表面的面平均努塞尔数相比原始前缘结构降低约7.9%~14.5%,带深凹槽的前缘结构相比原始前缘结构降低约9.1%~20.9%;与Reg=200,000相比,当Reg=150,000时,带凹槽的前缘结构相比原始结构的低换热优势更强。     

基于Ansys Icepak 的负载器热设计与热分析

基于热设计的基础理论与负载器的工作原理,应用Ansys Icepak仿真软件对供配电负载器工作过程中内部散热情况进行仿真,找出负载器内部温度最高部位,指导实际测试,避免实际测试的盲目性。另外,通过优化负载器散热孔设计,降低负载器温升值。     

酚醛树脂基纳米多孔材料的制备及结构调控

酚醛树脂基纳米多孔材料（Phenolic Resin-based Nanoporous Materials,PNM）是满足新一代航天飞行器轻质、高效隔热需求的新型热防护材料,传统制备方法中需使用超临界干燥技术,制备周期长、成本高。本研究通过两步法,即先合成线性酚醛树脂,再进行溶胶-凝胶的方法,实现了常压干燥PNM的制备。系统研究了固化剂含量、固化温度和固化时间对材料结构的影响和调控作用,分析了影响材料收缩率和热稳定性的因素。结果表明,PNM的微观纳米结构的变化会影响材料干燥后的收缩率,制备大颗粒、大孔径的微观结构更有利于降低材料的收缩率。而PNM的热稳定性主要受交联反应过程形成的化学结构的影响,通过优化固化剂的含量可提高PNM的热稳定性。当固化剂含量为10%,固化温度提高至150℃,固化时间延长至48 h的条件下,获得的PNM有最高的热稳定性（900℃下的残碳率为54.2%）、最发达的孔结构（比表面积为264.0 m²/g、孔容为2.67 cm³/g、平均孔径为40.0 nm）和最小的收缩率（0%）。此PNM制备方法简单、性能优异,在未来航天飞行器上有广阔的应用前景。     

数字图像相关法在平板热屈曲试验中的应用研究

将基于非接触全场光学测量方法的数字图像相关法应用于网格加筋平板热屈曲试验。为了减小结构热屈曲试验中石英灯辐射加热设备和高温物体自身热辐射的影响,采用单侧加热单侧测量并通过光学滤光技术成功获得了瞬态气动加热环境下典型网格加筋平板的全场热变形,分析得到网格加筋平板在特定力载荷和支持边界条件下的热屈曲临界温升,此种非接触式高温数字图像测量方法可以作为判定结构热屈曲的重要手段。试验结果表明,数字图像相关法适用范围广、抗干扰能力强、测量精度高,在结构热屈曲试验领域具有重要的应用前景。     

陶瓷基FGM材料线形变厚度圆板的热后屈曲

建立沿半径线形变厚度陶瓷基功能梯度材料(functionally graded material,FGM)圆板在热环境中后屈曲控制微分方程,采用打靶法研究陶瓷二氧化锆基变厚度圆板在温度场中的后屈曲行为,给出了均匀和非均匀升温场中变厚度圆板的热后屈曲平衡路径特性曲线,讨论陶瓷梯度指标和厚度变化系数对后屈曲行为的影响。数值结果表明:非均匀升温下FGM圆板的热临界载荷小于均匀升温下的临界载荷;径向厚度的变化并不会影响热临界载荷的值,但会影响到屈曲以后的平衡路径;中心挠度随变厚度系数的增加而增加。