航空动力技术发展展望

归纳总结了航空动力技术现状及当前技术前沿热点,分析未来需求,对先进动力技术的发展趋势进行了综合分析,并对我国航空发动机未来的发展方向进行了展望。     

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

鼠笼式弹性支承结构参数分步优化设计方法

为进一步提高鼠笼式弹性支承结构支承刚度设计的准确性,同时最大限度地减小鼠笼受到的最大应力,在相关研究的基础上,基于参数化建模思想,并结合有限元优化技术提出分步优化设计方法.采用鼠笼式弹性支承的刚度和应力计算公式并结合加工装配条件初定1组满足设计要求的结构参数值;建立鼠笼式弹性支承的有限元优化模型,并将初定的结构参数值代入到有限元优化模型作为优化的初始迭代值,同时以鼠笼笼条的长度和厚度为优化参数,经过迭代计算得到满足工程需求的结构参数.该方法可提高设计精度,节省设计时间.最后,结合具体算例验证了优化设计方法的有效性和实用性.     

利用W型槽提高气膜冷却效率机理

为了探讨圆柱孔出口开有W型槽结构的气膜冷却机理,数值模拟研究了W型槽与横向槽下游流场、温度场及气膜冷却效率。分析了W型槽深度对气膜冷却效率的影响。结果表明:相比于横向槽,W型槽结构展向平均气膜冷却效率提高70%～130%。随着W型槽深度增加,气膜孔出口下游的对漩涡减弱,两侧的附加漩涡增强,最终形成一对反向对漩涡。小吹风比0.5时,三种W型槽深结构的展向平均气膜冷却效率差别小于8%;大吹风比1.5时,槽深0.5D(D为气膜孔孔径)结构展向平均气膜冷却效率高于槽深0.25D结构的展向平均气膜冷却效率75%～150%。槽深0.5D和0.75D结构的展向平均气膜冷却效率基本相同,差别小于3%。     

三支点柔性转子系统支承不同心激励特征及振动响应分析

针对航空发动机三支点柔性转子系统的支承不同心问题,充分考虑转子结构特征和载荷特征,首次将当量刚度引入多支点柔性转子不同心问题的动力学分析,定量描述转子系统各支承间不同心度带来的转子轴段刚度非线性,并提出了多跨度柔性转子系统支承不同心激励的数学描述,建立了不同心激励下多跨度柔性转子系统的力学模型。基于Lagrange能量法,给出了转子系统动力学方程的求解方法,研究得到了支承不同心转子系统的动力响应特征。结果表明:支承不同心不仅引起转子过渡轴的刚度非线性,产生2倍频激励,还会给转子系统带来附加不平衡激励;对于三支点柔性转子系统而言,2倍频分量同样是支承不同心下转子系统振动响应的典型特征之一。转子系统2倍频分量随不同心量的增加而迅速增加,而1倍频分量基本保持不变。同时转子振动响应呈现"缓增速降"趋势,且随非线性刚度、不平衡量的增大愈加明显。     

转子系统不平衡故障的再现方法浅析

针对转子系统不平衡特征再现设计问题,提出1种基于动力学相似关系的模型再现方法。根据转子系统的振动微分方程,通过积分模拟法和量纲分析法建立转子系统中转轴、转盘、弹性支承和不平衡量的相似关系。根据相似关系,设计了原型不平衡转子系统的动力学相似模型,利用有限元方法仿真验证了所得相似关系的正确性。试验采用最小二乘三点法识别原型与模型不平衡转子试验台的不平衡量,给出再现原型不平衡特征的过程,验证了不平衡特征再现设计方法的有效性。总结了基于动力学相似关系的转子系统不平衡特征再现设计方法。     

刘永泉:航空发动机设计专家

您作为中航工业沈阳发动机设计研究所的副所长兼总设计师,请您谈谈目前我国航空发动机研制水平如何,与发达国家的差距在哪里?刘永泉:航空发动机被誉为"工业之花"、"皇冠上的明珠",也是科技水平和工业基础发展的重要标志.美国国家关键技术计划说明书中写道:"航空发动机是一个技术精深、新手难以进入的领域,它需要国家充分的保护并利用该领域长期的成果、数据和积累的经验,需要国家大量的投资".     

基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计

提出了基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计理论.从结构的动力响应要求出发,以Taguchi方法为基础,对结构的制造及装配容差进行动力学容差设计,减小结构在制造过程的设计参数不确定和安装工艺不确定影响下其动力响应的波动.该设计过程为:①通过正交试验及方差分析完成参数设计,初步确定符合要求的参数设计值组合;②确定容差设计的初始设计值及初始设计范围,确定目标函数,形成多目标优化问题;③利用遗传算法对多目标优化问题进行解算,得到容差设计结果.对某型双转子航空发动机具有初始不平衡量轮盘的安装工艺进行了容差设计.设计表明:具有初始不平衡量的轮盘在装配时通过控制不平衡量的幅值及相位角差的搭配可有效降低支承振动响应,设计后支承最大振动响应合格率由17.7%提高至97%,验证了该设计理论的可行性.     

某发动机风扇进气畸变数值模拟

采用周向平均体积力的方法将叶片对气流的作用简化为体积力源项研究进气畸变对某航空发动机风扇的影响.分别对该风扇在均匀进气条件下和进口存在稳态总压畸变条件下的流场进行了模拟计算,得到了和雷诺平均Navier-Stockes(RANS)计算几乎完全一致的特性线以及流场主要结构特征,在进行进气畸变条件下流场模拟计算时成功地捕捉到了进口畸变扰动在流场中的传播情况,并能够正确反映进气畸变对压气机的影响.结果表明:压气机进气畸变流场有着大尺度、强耦合、信息传播三维性明显等特征,采用周向平均体积力研究方法可以利用非常少的计算资源加深对进气畸变流动的认识.      

航空发动机整机振动控制技术分析

针对高性能航空发动机结构复杂性和高温高转速工况下动力学稳定性问题,提出了航空发动机转子动力学特性设计分析是振动控制技术的牵引,装配工艺控制技术是关键,振动试验测试技术是依赖手段的整机振动控制技术思路。总结了发动机结构动力学计算分析技术、结构装配工艺优化技术、整机振动测试技术以及多年在发动机试验和试车中遇到的振动故障特征分析经验,分析了目前发动机整机振动控制技术存在的问题,提出了未来工作发展的思路