考虑发动机性能退化的涡轮叶尖间隙预估方法研究

针对有主动间隙控制的某型高压涡轮,建立了考虑发动机退化的叶尖间隙预估模型,重点研究了发动机在长期使用、性能退化过程中涡轮前燃气温度和蠕变变形对叶尖间隙的影响。研究中,首先分析了间隙预测中发动机性能退化影响的引入方式,建立了对应的间隙预估流程。随后以某型发动机典型工作历程为对象,对比研究了传统间隙控制方案、考虑发动机性能退化影响两种条件下的涡轮叶尖间隙尺度变化规律,并据此开展了间隙控制策略的优化调整。研究中发现,由于发动机性能的退化,导致涡轮前燃气温度升高,使得机匣、轮盘和叶片的热变形量增大,其中在最大巡航阶段对机匣的影响最大,其伸长量达到了6.914mm,与未退化前相比增大了17%,同时由于发动机的长期使用,叶片和轮盘受蠕变变形影响,导致叶尖间隙的变化。研究结果表明,采用优化后的主动间隙控制方案,各个工况下的叶尖间隙值均控制在合理范围内,尤其在高温起飞阶段,与退化状态下的间隙值相比提高了53%,有效避免了叶片严重碰摩等故障发生。     

黏弹阻尼器拉压疲劳损伤三维成像分析

采用显微CT(micro-computed tomography)对阻尼器结构分段进行了三维观察,成像分辨率为91.89 μm。通过三维分割成功提取了橡胶层空隙、开裂缺陷,并定量分析空隙缺陷的直径、总体积等几何特征参数。为了提高成像分辨率,对单个空隙缺陷进行局部高分辨显微CT成像及三维可视化分析,获取单个空隙形貌信息。结果表明:黏弹阻尼器以产生脱黏、空隙、开裂缺陷为主,上、下段橡胶层空隙最大直径分别为13.12、12.21 mm,发现上、下段端部存在开裂现象,环状裂纹体向上延伸至橡胶层表面,向下延伸至铝合金内筒外壁。局部显微CT三维成像分辨率为20.85 μm,结果显示单个空隙表面形貌存在褶皱、凹坑现象,但未发现微小裂纹。DR(digital radiography)成像实验结果表明通过X射线切向照相检测黏弹阻尼器橡胶层脱黏、空隙缺陷是可行的。     

流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用

相比于结构拓扑优化,流体拓扑优化的发展较为滞后。为了促进流体拓扑优化在叶轮机械领域的应用,根据公开资料中的研究成果,首先介绍了该方法的理论基础,包括优化问题数学模型、流动控制方程及求解方法、灵敏度分析技术、优化不稳定问题的预防措施及几何重构方法。然后总结归纳了流体拓扑优化在叶轮机械气动热力学领域的研究现状,通过对涡轮叶片内部冷却结构、涡轮叶片叶顶结构以及离心压气机弯道设计的描述,指出该方法的技术优势。研究表明,相比于传统形状和尺寸优化方法,拓扑优化具有更高的设计自由度,且突破了结构参数化的限制,有助于挖掘具有优良性能的新型结构。最后,对流体拓扑优化方法在未来叶轮机械设计中的发展进行了展望。     

旋转叶片干摩擦阻尼结构模型及分析方法研究综述

旋转叶片是航空发动机的关键部件,其振动特性及振动抑制技术对发动机的性能和结构完整性、工作可靠性产生重要的影响,在各类叶片振动抑制方法中,干摩擦阻尼结构应用最为广泛。首先,详细地阐述了旋转叶片干摩擦阻尼器动力学建模及其发展现状;然后,介绍了旋转叶片干摩擦阻尼结构减振特性分析方法及其发展现状,最后,提出了基于不同结构形式的叶片-地(B-G)型和叶片-叶片(B-B)型、基于接触面相互作用的干摩擦阻尼数学模型、基于接触点描述的干摩擦阻尼接触模型以及根据相对运动关系形成的干摩擦接触运动模型,以期为旋转叶片减振结构的建模设计、提高可靠性和效率、减振延寿等方面提供理论和技术支持。     

考虑叶片径向和垂直于壁面方向导热的涡轮叶片对流冷却模型研究

为了提高涡轮叶片对流冷却模型预测精度,提出了一种在叶片固壁内同时考虑叶片径向和垂直于壁面方向(法向)导热的二维对流冷却模型。该模型在弦长方向划分多个元素,忽略元素内弦长方向叶片温度变化,在元素内的径向和法向建立二维导热方程作为叶片固壁温度场的控制方程,其边界条件包括叶表燃气绝热温度、燃气侧对流换热系数和叶片叶根、叶顶热流密度等。给出了该模型二维导热方程和边界条件的差分求解方法。以E~3涡轮高压导叶为例,将模型与CFD计算的叶片外壁面温度分布进行了对比。结果表明,该模型在给定冷气量下预测的叶片温度分布变化趋势与CFD相近,最大温度误差不超过6.5%,计算时间与CFD相比缩短了95%,能够快速、准确预测涡轮对流冷却叶片的冷气需求量。     

基于红外技术的发动机低压涡轮叶片温度场测量

为了解某型发动机整机运行状态下低压涡轮工作叶片的温度分布情况,使用红外测试系统测量了该发动机整机状态低压涡轮工作叶片前缘及盆侧的温度场。试验前对该发动机进行了测试改装,设计了用于实现叶片定位的转速信号分析仪,以及用于提供高压气源的气体增压系统。试验共测得多个状态下发动机涡轮叶片的表面温度分布数据。结果表明:涡轮叶片前缘和叶盆中间位置的温度较高;相同位置下每片叶片的温度有轻微差异;叶片的最高温度位置位于测试区域的下方,与仿真计算结果相吻合。采用红外测温技术可以得到清晰的涡轮叶片表面温度分布云图,结合示温漆标记技术,可用于定位温度最高的叶片和叶片温度最高的位置。     

进气角度对旋转盘冷却效果的影响

为了研究不同的预旋角度对高位进气转静系旋转盘冷却与换热特性的影响,分别在三种预旋进气角度(0°,15°,30°)下对转盘的冷却效果进行了试验。通过试验,得到了每种预旋角度下的温度分布、盘面局部努赛尔特数分布、盘面平均努赛尔特数、转盘无量纲总体平均温度和转盘无量纲径向平均温差等参数。试验结果显示:高位垂直进气的冷却效果最好,预旋15°次之,预旋30°最低。并且流量变化对转盘的冷却效果影响较大,而转盘旋转影响较小。     

磁流变阻尼器磁路计算及磁通利用率分析

将分段等效磁路法应用于磁流变阻尼器的磁路计算。通过对磁路结构的综合分析,建立了磁流变阻尼器的分段等效磁路模型。采用网孔法建立了多分支复杂网络系统的非线性网络方程组。最后应用迭代法求解非线性网络方程组的磁通,计算了样机的磁通分布和磁通利用率。计算结果能够根据等效磁路模型的细分程度满足不同计算精度的需要,简化了磁路计算,具有较高的实用价值。     

弹支局部断裂后主动弹支干摩擦阻尼器对转子的保护

分析了弹支笼条局部断裂后对转子的影响;实验研究了弹支笼条没有裂纹、有裂纹时,升、降速等情况下转子的振动特性,包括有、无主动弹支干摩擦阻尼器控制等.实验发现,主动弹支干摩擦阻尼器能减小由于弹支发生局部断裂而增加的振动;选择P控制方案,主动式弹支干摩擦阻尼器能够在转子弹支局部断裂后,实现应急停机,起到保护转子系统的作用.      

带尾缘劈缝冷气喷射的涡轮叶栅性能实验及计算

通过平面叶栅实验和CFD数值计算方法,研究了叶片尾缘全劈缝冷气喷射下涡轮叶栅流场和气动性能。试验和计算发现,在冷气喷射条件下用不同损失系数描述涡轮叶栅性能,结论明显不同,用考虑冷气能量的能量损失系数评价气冷涡轮叶栅性能较为准确和客观。在较小的冷气流量下,劈缝冷气喷射使叶栅能量损失降低,尾缘劈缝冷气喷射可改善近尾迹区域的流动,减小尾迹亏损,降低尾迹掺混损失。尾缘劈缝冷气射流方向偏向叶片某型面,则尾迹损失峰值朝此型面偏移。