基于替代燃料的航空燃油泵内部空化特性

为了研究以国产大庆RP-3航空煤油为流动介质的航空燃油泵内部空化特性,采用数值模拟的方法研究了高温低压环境下航空燃油泵内部的空化流动.针对航空煤油这种成分复杂的介质,引入替代燃料的概念,选择摩尔分数为74.5%的正十二烷、10%的甲基环已烷、10%的甲苯和5.5%的辛烷构成的四组分替代燃料模拟大庆RP-3航空煤油.计算中采用基于旋转修正的k-ε湍流模型以及Zwart-Gerber-Belamri空化模型,基于实验结果对数值方法进行了验证分析.研究结果表明:基于替代燃料和旋转修正的k-ε湍流模型的数值计算方法能够较准确地预测航空燃油泵的空化特性;忽略大庆RP-3航空煤油空化热力学效应,温度对航空燃油泵空化性能有一定影响,在80℃工况下,航空燃油泵空化性能较差;转速对航空燃油泵空化性能影响较大,航空燃油泵在转速为10000r/min工况下空化比转速最大,空化性能最好.      

面向外啮合齿轮泵困油问题的健壮性设计

针对外啮合齿轮泵困油区压力高导致噪声大、低容积效率等问题,综合齿轮泵工作过程中内部流体动态特性,提出了面向齿轮泵困油问题的健壮性设计方法.以某型号高压齿轮泵为研究对象,建立三维流体模型,利用CFD专业软件PUMPLINX,基于全空化模型对齿轮泵内部流场进行解析,分析了该齿轮泵猫眼式卸荷槽结构参数、齿轮泵转速、负载压力以及介质特性对困油区压力的影响,并借助于试验设计和响应面函数方法建立了关于困油区压力的近似模型.最后,以困油区压力模型服从正态分布且均方差最小为目标,优化了猫眼式卸荷槽尺寸参数来减少转速、负载和介质特性对困油区压力的影响,并以随机分析方法验证齿轮泵困油区压力对不可控因素随机变化的健壮性,验证结果表明:随着不可控因素的随机变化困油区压力峰值对其敏感波动从健壮性设计前的40%缩小至健壮性设计后的18%左右,从而提高了泵的稳定性和可靠性.      

双调和方程在航空离心泵叶型优化设计的应用

为了减少构建代理模型的计算量,提高优化效率,基于双调和方程模型和混合人工鱼群算法对航空离心泵叶型进行优化改型设计。在Matlab平台下分别采用5点4次Bezier曲线和线性函数控制叶型圆周角分布和积叠变化规律,通过软件UG和Fluent的联合批处理方法对15组设计结果进行内流场数值仿真。在曲面插值获得计算空间边界条件的基础上,采用中心差分格式对双调和偏微分方程进行数值求解,建立超曲面性能代理模型。以效率最高为目标函数基于人工鱼群算法对设计变量进行全局寻优。结果表明:基于双调和方程的超曲面代理模型能够保证试验值与预测值完全一致,而优化后的离心叶轮流动中的尾迹效应被明显减弱,水力效率比原型泵提高5.4%。      

熔盐泵盐析两相流冷态模型试验和数值研究

为了揭示熔盐泵内盐析两相流动的规律,采用白金汉定理,建立了熔盐泵输送固液两相流的相似准则,根据所设计的熔盐泵模型试验方案,对熔盐泵内部流动进行了数值模拟,采用高速摄像技术捕捉了泵内的盐析两相流动,阐述了试验结果与模拟结果之间的差别。研究了颗粒直径和密度对熔盐泵外特性和内部流动的影响。结果表明:数值模拟结果和试验结果之间的误差小于10%。叶轮流道出口处颗粒的绝对速度从叶片的压力面到吸力面逐渐减小。分析得到了叶轮内固相和液相的速度三角形之间的关系,当颗粒的密度大于液相的密度时,颗粒绝对速度沿圆周方向的分量小于液相。进一步分析得到了叶轮出口处密度分别为2000、2250、2500、2750、3000kg/m3的颗粒的运动速度三角形之间的关系,颗粒密度越大,叶轮出口绝对速度沿圆周方向的分量越小,泵的扬程越小。      

基于CFD内流耦合仿真的燃油柱塞泵滑靴副动态润滑特性研究

针对航空燃油柱塞泵滑靴副自适应油膜的动态润滑问题,基于牛顿拉夫逊方法,建立了考虑滑靴副油膜支承作用与其动力学状态动态耦合关系的滑靴副润滑计算模型。在此基础上,计入前级部件内流作用对油膜特性的影响,通过CFD内流分析和Reynolds润滑模型相结合的仿真方法,对航空柱塞泵滑靴副及其前级部件进行了一体式联合仿真研究。研究结果表明:仿真与试验结果的误差保持在4.3%以内,CFD仿真方法可以实现对滑靴副前级部件内流场的准确模拟;转速从4kr/min增至5kr/min时,膜厚的最大倾覆值减小至原数值的27.15%,并且低压区滑靴厚度变化率的增大率最大可达62.02%;而出口压力增大率为66.7%时,引起全周期内膜厚变化率波动幅度不同程度的增大;在转动周期内,滑靴的自适应润滑效果通过油膜厚度场和压力场的耦合变化形成自适应动压支承效应来实现。     

离心压气机叶顶泄漏涡轨迹数值模拟及失速预测

以级压比为4.1的Krain叶轮为研究对象,数值研究流量、转速和叶顶间隙对叶顶泄漏涡(TLV)轨迹和主流/叶顶泄漏流交界面(ITLMF)位置的影响。数值结果表明:流量减小、转速升高和叶顶间隙减小,使叶顶泄漏涡轨迹远离吸力面、主流/叶顶泄漏流交界面向上游移动。将主流与叶顶泄漏流的相互作用简化为一股自由来流与一股逆向壁面射流的相互作用,并对叶顶泄漏流速度进行模化。利用主流/叶顶泄漏流动量平衡原则确定交界面位置,采用Zhao模型预测叶顶泄漏涡轨迹,并建立叶顶泄漏流的有效起始位置与叶顶间隙的关系,从而建立亚声速离心压气机失速预测模型。结果表明,模型预测值与CFD预测值符合较好,方均根误差低于2.42%。      

轴向间隙对对旋式喷水推进泵水力特性的影响

为研究对旋式喷水推进泵叶轮轴向间隙对泵水力性能及推力的影响,基于RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,参考导叶与叶轮间的轴向间隙范围,对五组不同间隙系数的喷水推进泵模型进行了数值模拟。定义了对旋叶轮首次级间隙系数δ,分析了不同轴向间隙系数下泵外特性、内部流动能量转化以及推力特性的变化规律。通过推进泵性能实验结果与数值模拟结果的比较,验证了数值计算方法的可靠性。研究表明:在研究的间隙范围内,对旋叶轮轴向间隙的增加可以改善首级叶轮的低压区;当0.13δ0.17时不利于次级叶轮回收首级叶轮的流体能量;在轴向间隙系数0.09δ0.13的范围内可以明显提高推进泵的效率,δ=0.09时效率最高,达到85%;当轴向间隙系数δ0.17时,推力有较明显的下降趋势。因此,通过内部流动分析和外特性以及推力特性的研究,共同验证了首次级叶轮间的轴向间隙是影响对旋式喷水推进泵水力特性的重要因素。     

航空发动机离心通风器断裂故障分析与排除

针对某型离心通风器断裂故障,进行结构分析、断口金相检查,并对离心通风器的强度、固有频率、共振转速进行计算和动应力试验。结果表明:该离心通风器断裂故障属高周疲劳破坏;离心通风器与齿轮轴定位结构不合理,使离心通风器齿轮轴在工作转速范围内发生共振,是造成离心通风器断裂的主要原因。根据故障原因制定了排故措施,并进行了动态特性分析与试验验证,取得良好效果。     

液氧煤油补燃发动机起动过程氧预压泵加速起旋方案研究

为降低液氧煤油补燃发动机起动所需入口压力,需解决起动过程氧预压泵起旋迟缓产生附加阻力导致主泵入口压力过低而发生断裂汽蚀的问题。开展了两种预压泵加速起旋方案研究,分别为已工程应用的液氧涡轮方案和本文提出的氦起动涡轮方案。对比介绍了两种方案对发动机气液系统和预压泵结构的影响。建立了预压泵加速起旋相关的数学模型,针对加速起旋机理、效果和影响因素等进行了仿真分析。结果表明:液氧涡轮方案,预压泵结构变化较小,为提升加速起旋效果,涡轮供应路应尽量增大通径、缩短长度,降低动态流阻和静态流阻,涡轮喷嘴流通面积则需根据其对涡轮流量和压降的综合影响来选择。氦起动涡轮方案,预压泵结构和流路变化较大,起动涡轮速比和效率是降低氦气用量的限制性因素。     

基于分解-粒化和优化极限学习机的燃油泵性能退化趋势预测

机载燃油泵的性能退化呈现非线性多阶段模式,为了提高机载燃油泵性能退化指标的预测精度,得到性能退化指标准确的预测范围,提出了基于奇异值分解-模糊信息粒化与优化极限学习机的模糊粒化预测方法。针对传统的粒化预测方法直接对原始序列进行粒化分析的不足,首先利用奇异值趋势分解方法提取燃油泵性能退化指标序列的趋势项及去趋势项,再利用信息粒化方法对去趋势项进行模糊粒化;然后将趋势项及粒化后的去趋势项数据输入至极限学习机进行回归预测,并采用粒子群算法优化极限学习机参数;最后根据实测值和预测值的对比分析评估预测模型的优良性。实验结果表明,该方法可以有效跟踪燃油泵性能退化指标的变化趋势,并对其指标的波动范围进行有效预测。