2013-19 科技要闻

揭开巨型叶片生长之谜中国科学院西双版纳热带植物园李帅等通过研究巨型叶片植物在自然界稀少、叶片最大生长面积与叶片结构功能关系等问题发现,叶片边缘部位的生理功能受到抑制,会限制叶片面积的继续扩大。热带典型巨型叶片天南星科植物海芋的叶片直径可达1m。为此,研究人员开展了对海芋叶片不同部位结构和生理功能异质性的研究。研究发现,由于叶片边缘部位导水功能和气体交换功能减低,加上巨型叶片的水汽边界层较厚,叶片边缘散热受到抑制。在晴天下午,露天生长的植株叶片边缘比叶片中部温度高8.8℃,导致一些叶片边缘出现因高     

高负荷轴流压气机喘振时叶片动应力

对某高负荷十级轴流压气机喘振过程中叶片的动应力变化开展了试验研究,结果表明喘振时叶片出口脉动静压首先突增,0.1秒后叶片动应变增长至最高值,叶片第二阶动应力已超过疲劳极限,使叶片产生了高周疲劳损伤,出口脉动静压存在与叶片第二阶频率及叶片通过频率相关的后行波/前行波分量,但没有集中出现在某一固定节径下;对叶片开展了颤振数值模拟,结果表明叶片前三阶的积累功小于零,对数衰减率大于零,未发生颤振;通过增加叶片厚度提高叶片频率来提升叶片抗振能力,叶片根部相对最大厚度从0.076增加至0.089,叶片一弯频率对应的共振转速提高了15.2%;试验表明在75%换算转速进喘时,叶片相对应变降低了18%,本文提高叶片频率的方法很好地解决了工程中出现的转子叶片进喘时动应力突增的问题。     

1kW垂直轴风力发电机叶片静力分析

叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件之一,影响着风力发电机的能量转化效率及安全性.以1 k W垂直轴低风速风力发电机叶片为例,介绍了叶片的基本结构,采用Solidworks对叶片进行建模,分析叶片受力;使用Gambit及Fluent计算叶片在额定工况下所受的风力载荷,简化叶片结构,绘制计算网格,设定计算条件;利用Midas NFX有限元软件对叶片进行静力学分析.仿真分析结果表明:叶片与连杆连接处形变量最小,叶片两端最大,最大变形量为31.25 mm;叶片的受力在叶片与连杆的连接点处最大,最大应力值为69.26 MPa.通过分析计算,得出风电叶片的受力分布规律,为叶片结构的进一步测试和优化提供依据和参考.     

百叶窗浓缩器叶片附近两相流场的实验及磨损预测

采用粒子动态分析仪(PDA)对百叶窗煤粉浓缩器内叶片表面区域的流场分布进行了详细测量,获得了叶片表面附近区域两相速度和流动角的分布。采用磨损率的半经验公式对叶片的磨损进行了预报,并进行了叶片磨损的工业实验。结果表明：叶片磨损严重的区域发生在叶片的下部;后级叶片较前级叶片磨损速度快;同一级叶片上,叶片后端磨损严重。     

子母叶片泵叶片顶端形状对叶片的受力影响

针对子母叶片泵叶片形状对受力影响的问题,就无厚叶片、顶部为圆弧的单面后倾叶片和对中圆弧叶片3种情况对吸油区叶片受力过程进行了分析与建模,并仿真得到一系列母叶片所受接触反力的变化曲线.结果表明:忽略叶片厚度得到的结果与实际情况有很大的差异,顶部有圆弧的叶片比单面后倾叶片受力状况要好.可以通过优化的方法,综合考虑叶片受力状况以及叶片的结构与运动等因素,来选取对中圆弧叶片顶部圆弧的半径.     

叶片数及分流叶片位置对离心泵性能的影响

应用CFD流场数值计算程序对两类不同长叶片、两类不同长短叶片和一类超短叶片配置的离心泵进行数值模拟,讨论叶片数、分流叶片不同径向位置及周向位置对离心泵内流场及整机性能的影响.结果表明,选择合理的叶片数和分流叶片的径向及周向位置,可以有效降低长叶片的负荷,有效提高泵的扬程和效率,避免叶片数过多引起的叶轮进口堵塞和叶轮流道内发生回流和漩涡.当离心泵分流叶片进口直径为叶轮直径的0.68,分流叶片向长叶片背面偏置5°,叶片数为4个长叶片和4个超短叶片时,离心泵的整体性能最佳.     

叶片摩擦系数对液压凸轮转子伺服马达转矩性能影响

为研究叶片摩擦系数对液压凸轮转子伺服马达转矩性能的影响,建立了马达转矩的力学模型.通过对叶片进行受力分析,推导了叶片/叶片槽之间的摩擦系数与凸轮转子对叶片的正压力以及叶片对凸轮转子的阻力矩的关系式.利用MATLAB对力学模型进行仿真计算.结果表明,叶片/叶片槽之间摩擦系数的增大会减小叶片之间正压力,从而增大叶片对凸轮转子的阻力矩,导致马达的输出力矩出现明显波动.阻力矩的最大值和平均值与摩擦系数基本呈线性关系.减小叶片和叶片槽之间的形位公差与表面粗糙度能够改善伺服马达的低速特性.     

凸肩叶片的振动响应

使用弹性薄板理论建立带凸肩三叶片相互耦合的振动微分方程,经模态正交获得相互耦合的叶片振动响应方程,并使用Runge-Kutta法进行数值分析.凸肩叶片的振动响应主要取决于整体的固有频率、激振频率、激振力大小等因素,凸肩使各叶片相互作用,叶片整体的刚度增大.结果表明,叶片的固有频率由于受凸肩的作用而增大,叶片的振动响应呈拍状,包含相邻叶片的影响,凸肩可降低叶片的振动响应.受凸肩的影响,叶片整体的固有频率随着相互作用的叶片数增多而增大,凸肩叶片整体共振时的响应降低,叶片使用的安全性提高.     

轴流泵的叶片设计理论与应用研究现状

归纳了轴流泵的叶片设计理论,总结了叶片几何参数的选择原则,指出了叶片设计中存在的问题,给出了提升现有轴流泵叶片设计理论的策略.研究表明,现有轴流泵的叶片设计理论单一,缺少更多有效控制叶片形状的变量和手段.采用三维流动理论,改变叶片造型方法,控制水力损失和引入CFD方法是提升现有轴流泵叶片设计的主要策略.     

喷射或抽取气流抑制叶顶密封气流激振的实验研究

针对汽轮机叶片振动导致叶片断裂的问题,提出用喷射或抽取气流的方法来抑制叶顶密封气流激振。在叶片顶部密封装置上设计了带倾角的气流口,用于喷射和抽取气流。实验研究了在叶片顶部喷射或抽取气流对叶片振动的影响。当倾角小于30°时,在叶片顶部喷射气流加剧叶片振动;当倾角大于40°时,喷射气流明显地抑制了叶片振动,叶片振动量随着喷气压力的增加而减小,最低可减至初始振动量的81%。从叶片顶部抽取气流能够减小叶片振动10%以上;对于普通叶片,当抽气口采用正倾角时抽取气流抑制叶片振动的能力比采用负倾角时大;对于带冠叶片,抽取气流抑制叶片振动效果更好,减振能力可达23%,且叶冠宽度较大时减振效果更稳定。     

海岛棉叶片翘曲导致叶片光合能力的异质性

为了研究海岛棉叶片主脉两侧对称部位的光能截获与其形态及光合能力之间的关系,揭示叶片翘曲导致叶片光合能力异质性的生理机制,本研究以海岛棉"新海25号"叶片为材料,对叶片主脉两侧对称部分的光照日辐射、净光合速率、叶绿素含量及叶片面积进行测定比较。结果显示:海岛棉东西向叶片主脉两侧接受的总光能差异极大,南北向叶片差异较小;东西向叶片沿主脉接受光能较少的一侧,其叶片面积和净光合速率均显著低于截获光能较多的一侧,叶绿素a,叶绿素b和叶绿素(a+b)的含量显著高于截获光能较多的一侧,而南北向叶片主脉两侧的叶片面积、叶绿素含量及净光合速率均无显著差异。这表明海岛棉叶片翘曲引起不同方位叶片主脉两侧对称部分所截获的光能异质性,致使叶片面积和叶绿素含量的异质性,进而共同导致其光合能力的异质性。     

水平移动式抛丸机叶片受力的有限元分析

为提高水平移动式抛丸机前曲叶片的使用寿命,运用ANSYS软件,建立了抛丸机叶片的有限元模型,以SOLID45和SURF154单元共同划分叶片网格,采用节点载荷加载方式。结果显示：叶片总体为低应力分布,但存在明显的应力集中点,叶片受弹丸正压力的最大值位于叶片边缘。叶片的失效形式是应力集中引起的疲劳断裂和正压力过大导致的表面磨损。提高叶片的使用寿命,除选用合适的材料提高叶片的耐磨性外,还需要设计合理的叶片形状,以降低最大正压力的影响。     

气膜冷却叶片热应力和振动特性的计算分析

采用计算流体力学软件Numeca计算了气膜冷却叶片表面的温度场,通过插值计算,将Nu-meca中的叶片表面温度结果导入到有限元分析软件Ansys中作为边界条件,计算分析了整个叶片的温度场和热应力.计算了叶片在不同温度场下的叶片固有频率,并采用等效材料参数的方法计算了叶片具有气膜冷却孔时的固有频率.温度场对叶片的固有频率影响较大,气膜冷却孔使得叶片固有频率下降.     

快堆二回路钠泵叶轮与导叶叶片数设计探讨

快堆二回路钠泵是目前世界上最先进的第四代核电核心装备之一,在保证安全运行的条件下提升其运行效率至关重要.基于其原型样机的性能要求和限制尺寸,采用一元设计与CFD相结合的方式进行钠泵叶轮和导叶的水力设计并且探究钠泵叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配规律.结果表明:只改变导叶叶片数时,不同的导叶叶片数对钠泵效率和扬程影响的最大差值分别为4.01 %和9.75%的设计参数.设计工况下钠泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为:叶轮叶片数为5、导叶叶片数为8,叶轮叶片数为6、导叶叶片数为9,叶轮叶片数为7、导叶叶片数为11,即导叶叶片数在叶轮叶片数的1.5倍附近时,泵的水力性能达到最优值.符合钠泵性能要求且水力性能最优的叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配方案为:叶轮叶片数为6、导叶叶片数为11.     

冲击孔位置对涡轮叶片冲击/气膜复合冷却特性影响的实验研究

为研究冲击孔位置对空冷涡轮叶片冲击/气膜复合冷却特性的影响,选择4种具有不同冷却结构的涡轮叶片开展了综合换热实验。实验叶片由低导热系数的树脂材料制成,分别为仅有气膜冷却结构的叶片0、具有正向冲击孔的叶片1、具有偏置冲击孔的叶片2以及具有交错偏置冲击孔的叶片3。使用红外热像仪拍摄得到实验叶片表面温度分布。实验结果表明,涡轮叶片综合换热特性由内部冷却和外部冷却共同决定。在吹风比较大时,射流冲击强化了冷却剂和叶片内壁面之间的换热,导致具有冲击冷却结构的叶片1、2、3相对于叶片0综合冷却效率提升了3.1%～6.7%。其中,因为冲击孔偏置,叶片2和3的冲击强化换热区域相对独立于叶片表面气膜覆盖区域,所以叶片2和3的综合冷却效率分布更为均匀,且大于叶片1。叶片0仅有气膜冷却结构,紧邻气膜孔出流位置冷却剂动能较大,在气膜孔出口下游冷却剂再贴壁形成热防护,使得距离气膜孔较远的区域冷却效率升高。在吹风比较小时：仅有正向冲击的叶片1相对于叶片0的综合冷却效率有所提高;由于偏置冲击消耗了更多了冷却剂动能,叶片2和3的综合冷却效率相对于叶片0明显降低,当吹风比为0.2时,二者分别下降了6.7%和11.6%。     

转子叶片外径组合加工方法研究

航空发动机是一种特殊的高科技产品,航空动力技术已经成为一个国家科技水平的重要标识之一。发动机的四大转子叶片外径要求在组合状态下进行加工,且要求在工作状态下进行,即转子高速旋转叶片完全甩开的情况下得到叶片外径尺寸。传统的加工方法采用外圆磨床或普通车床改制的磨床,利用模拟盘螺栓顶紧叶片底面或在叶片底面塞塞片的方法将叶片固定到工作位置的方法来模拟叶片甩开的状态。本文主要从叶片的不同结构出发,总结其叶片外径的加工方法,重点针对叶片与轮盘底面间隙较大的叶片外径加工方法进行创新,设计一种涨紧装置将转子叶片涨紧以模拟叶片的工作状态。此种涨具应用于各类转子叶片的外径加工,可作为一种通用的工装工具加以推广。     

涡轮叶片最小冷气需求量的一种估算方法

通过涡轮叶片内外表面对流换热与固体导热的耦合计算,建立叶片冷气流量与叶片壁面温度分布之间的关系,从而获得涡轮叶片最小冷气需求量。首先根据假定冷气流量进行耦合计算叶片温度分布,并从中获得叶片温度峰值;再依据这一温度峰值,逐步调整冷气进口流量,直到叶片温度场符合设计要求。计算得出叶片最小冷气量为燃气总量的4.43%,叶片最高温度为1 299.11K。结果表明采用本文的方法估算的燃气涡轮叶片的冷却空气量是合理的。     

一个有趣的函数表达式的探索和证明

折下一枝桧树叶串,你会看到柄尖有一个叶片,其余的叶片都互生在柄上,其数多少不等。(图1)如果从某个叶片开始,循一定方向(逆时针的或顺时针的)每隔一个叶片摘去一个叶片,周而复始地一直摘下去,最后一定只剩下一个叶片。现在要求确定从哪个叶片开始能使最后所剩的叶片正好是柄尖那一片。如果叶柄上的叶数不多,使用“试摘法”是有效的:从柄尖的叶片开始先循顺(逆)时针方向,每隔一个叶片把一个叶片掐去一小块,这种掐过的叶片在以后被轮到时就不再当作一个叶片计算,这样做到最后,叶柄上只剩下一个叶片没被掐过,它到柄尖那个     

航空发动机转子叶片的声波激振机理探讨

探讨航空发动机转子叶片受迫振动可能存在的共振形式,分析叶片振动的诱因机理.指出发动机静子可调叶片的调节规律如果出现错误,就会象簧鸣乐器中的簧片一样发出声波,在某种条件下可能成为转子叶片的激振源.当可调叶片发出的声波频率与转子叶片的某阶固有频率或其整数倍、分数倍接近时,会使转子叶片发生共振.此外,由声波引起的气动力也可能导致叶片颤振.上述两种情况都会造成叶片损坏.     

风力机叶片断面的几何参数分析

针对风力机叶片内部的结构形式,采用薄壁结构力学多闭式理论,对某种风力机叶片结构进行简化和分析,建立几何模型,利用MATLAB进行编程计算,得到叶片断面的弯扭特性参数.分析结果表明,风力机叶片断面的扇性静矩分布并不均匀,在叶片断面头部的值较小,尾部的值较大,容易造成叶片后缘失稳.在风力机叶片结构设计时,要提高叶片后缘部分的设计参数,以满足叶片的结构强度、刚度及稳定性要求.