一种航空发动机压气机喘振检测方法

将发动机压气机出口脉动压力作为喘振检测信号,检验分析了压气机出口脉动压力的统计特征,采用滑动窗口的Johnson转换方法对脉动压力信号进行正态转换,基于统计特征提出了适应发动机任意状态的喘振检测阈值和方法。该方法成功检测出某发动机3次喘振故障,分析得出:发动机压气机出口脉动压力不服从正态分布,稳态过程脉动压力正态转换成功率大于瞬态过程,降低样本容量可有效提高瞬态过程正态转换成功率;对于脉动压力99.95%概率分布的上、下边界距离,其幅值范围在不同转速下差异较大,且随转速增大而增大;根据提出的喘振检测量可设置适应发动机任意状态的固定检测阈值,其检测出发动机喘振及退出喘振所需时间均小于20ms。     

涡轴发动机起动过程喘振信号LMD包络谱分析

为了得到涡轴发动机低温起动过程中的喘振特征,提出了一种基于LMD包络谱的分析方法。对喘振脉动信号进行局部均值分解,得到一组PF分量,并对各PF分量进行包络谱分析。实测涡轴发动机喘振信号的LMD包络谱分析结果表明,LMD包络谱可清晰地提取涡轴发动机的喘振频率及其倍频和分频成分,提取的喘振频率小于15 Hz。涡轴发动机的喘振幅值和喘振频率与发动机的转速有关,喘振幅值随着发动机的转速升高而增大,喘振频率随着发动机的转速升高而降低。     

不同叶片数对低比转速离心泵压力脉动的影响

为了研究不同叶片数对压力脉动的影响,在保证叶轮其他几何参数不变的情况下,将叶片数设计为4、5、6三种情况,采用FLUENT软件、RNGk-ε湍流模型和滑移网格技术,对低比转速离心泵进行了三维非定常数值模拟,分析了不同叶片数对蜗壳隔舌、蜗壳-叶轮间隙以及蜗壳扩散段内压力脉动的影响.结果表明:各个叶片数泵在三个监测点压力脉动频率均以叶片通过频率为主,且在隔舌处压力脉动幅值变化最大;6叶片数泵在小流量下,隔舌处压力脉动幅值变化均小于4、5叶片数,其最大脉动幅值约为静压均值的9%左右;5叶片数泵隔舌处,在0.6、1.4倍设计流量时压力脉动幅值明显大于设计流量下的幅值,约为设计工况下幅值的2倍和2.4倍;4叶片数泵在1.0、1.4倍的设计工况下,隔舌处的压力脉动变化最大,其最大幅值约为设计叶片数的1.29倍和1.4倍.在不同叶片数时,蜗壳扩散段和蜗壳-叶轮间隙内压力脉动变化相对隔舌处较小.     

采用关联模型的离心压缩机喘振工况数值研究

为了研究管网系统特性对离心式压缩机喘振的影响,建立了包含温度项的关联模型,将管网效应耦合到压缩机出口的边界条件中,实现了压缩机系统从稳定工况到喘振工况的数值模拟。对一离心压缩机流道和无叶扩压器流场进行了非定常数值模拟,结合关联模型得到喘振时压缩机出口处压力及质量流量脉动随时间的变化情况,分析了管网容量、管网出口流量等管网参数对压缩机系统喘振的影响。模拟结果显示:所建模型能捕捉到喘振工况下压缩机出口的参数变化特征;随着管网容量的增大或管网出口质量流量的减小,压缩机出口流量、总压波动幅值增大,工况向喘振振荡特性转变;管网容量对失速频率影响较大,而管网出口流量的变化对压缩机的失速频率影响较小。该研究对进一步分析压缩机管网系统相互影响和喘振预测具有参考价值。     

小型前弯离心风机叶轮参数优化

为了提高小型前弯离心风机的气动性能,以汽车座椅通风用离心风机为研究对象,采用数值模拟与正交试验相结合的方法,研究叶片数、叶片出口角、叶片进口角以及叶片厚度对离心风机气动性能的影响. 基于小风量风机性能实验台,验证数值模拟结果的正确性. 选取三水平正交表L9（34）进行此次试验,建立了9种不同参数组合下的叶轮模型,以最大静压为优化目标,采用计算流体动力学方法,得到了最佳离心风机参数组合. 对优化前、后离心风机内部流场的压力与速度分布进行了对比分析. 由正交试验结果分析可知,各参数对离心风机最大静压影响的主次顺序为叶片出口角、叶片进口角、叶片数和叶片厚度;达到最大静压的参数组合为：叶片数55,叶片进口角95°,叶片出口角125°,叶片厚度0.8 mm. 优化后离心风机的无因次特性曲线优于原有风机,在高效率区域静压可提高3.78%~10.67%,具有更好的气动性能. 对比优化前、后离心风机内部流场的压力与速度分布可知,优化后的离心风机内部流场分布更加均匀,在叶轮进口处低压区的压力更低,速度更大,更有利于气流的进入.     

某型航空发动机对插板式进气畸变的响应

为得到较为准确的发动机对进气畸变的稳定性响应模型,首先分析了由实验所得到的某型航空涡扇发动机进口扰流插板产生的稳态总压畸变和紊流分布。相对于压气机转子进口,将周向分布的稳态总压畸变和截面脉动压力处理成为一组不同频率的压力激励波形分布。通过频谱分析得到:在发动机失稳前,稳态畸变形成的波形频率最低,幅值最大,是引起发动机失稳的主要原因。对该组合畸变激励波用一阶响应模型进行动态修正并使用平行压气机分析模型,得到了经修正的压气机喘振边界和得到改善的发动机进气畸变响应模型。最后分别计算了高、低压压气机逐步失稳的工作点移动过程。结果表明:与压气机出口实验失稳波形十分接近,该模型准确可行。     

级环境下离心压气机扩压器叶片气动优化设计

在级环境下采用人工神经网络和遗传算法在对设计工况下的离心压气机扩压器叶片型线进行了优化,并采用数值方法对优化前、后离心压气机级的气动性能进行了对比分析.结果表明:在设计工况下,优化后的叶片扩压器静压恢复系数提高了11.7%,总压损失系数减少了21.12%,离心压气机级绝热等熵效率提高1.64%,达到了86.01%;非设计工况下离心压气机的气动性能也有显著改善;优化后离心压气机级在设计转速下喘振裕度有所提高,阻塞裕度略有降低.     

高速泵内三维非定常湍流激振计算

针对某一高速泵系统的诱导轮叶片在实际运行时出现裂纹断裂现象,利用三维Navier-Stokes方程和RNG湍流模型,并在转动部件与静止部件间采用滑移网格技术建立交互界面,对高速泵内多级动静干扰引起的三维非定常湍流进行了计算,得到了诱导轮内部流体压力脉动的主要特征。计算结果表明,诱导轮全流道内流体压力脉动的频率成分一致,在某一转速范围内出现与叶片固有频率接近的频率成分,它是造成诱导轮叶片出现裂纹的主要原因。说明利用滑移网格技术及RNG湍流模型,可以模拟三维非定常湍流的激振问题。     

叶片厚度分布对超窄流道离心叶轮性能的影响

研究了石化生产中使用的某出口相对宽度仅为0 0092的13级离心压缩机的末级叶轮.分别用等厚度、零厚度以及C4翼型的叶片构造叶轮,并进行计算流体动力学分析.计算分析发现:C4叶轮内部流动状况在小流量范围内最好;零厚度叶轮在大流量区效率最高;在设计工况下,C4叶轮的效率较原始等厚叶轮高1%.结合上述叶片的特点并考虑到加工的方便性和强度要求,以叶片厚度分布为设计变量,用响应面方法进行了优化设计.优化后叶轮的总体性能高于原始叶轮,在大流量区,优化叶轮的性能高于C4翼型叶轮.     

基于翼型内部结构的风力机叶片动力学特性有限元分析

基于ANSYS Workbench软件,对翼型内部结构为单腹板和双腹板的风力机叶片进行了模态、应力和应变分析,获得了叶片前6阶振动频率、应力分布云图和叶片变形云图。研究结果表明,在静频情况下,单腹板结构的一阶振动频率为4.052 7Hz,双腹板结构为4.048 6Hz,且单腹板结构的各阶固有频率均比双腹板结构略大;在转速作用下,单腹板结构的第一阶振动频率增加了0.164 4 Hz,双腹板结构增加了0.162 9Hz,单/双腹板风力机叶片振动频率的变化规律受转速影响的差异很小;在相同载荷作用下,单/双腹板结构的最大应力分别为127.77 MPa和124.21 MPa,单/双腹板结构的叶尖挠度分别为378.16 mm和347.54mm,故双腹板风力机叶片的力学性能要优于单腹板风力机叶片。     

锯切参数对圆锯片动态稳定性的影响及优化

利用有限元法和正交试验法相结合研究圆锯片在夹紧比、回转速度、锯片的厚度不同水平下的固有频率和应力状态,以此来研究锯片的动态稳定性.结果表明夹紧比增加可以提高锯片的固有频率,降低锯片的径向最大应力和切向最大应力;锯片基体厚度的增加也可以提高锯片的固有频率,而对锯片的应力影响不大;回转速度增加对锯片的固有频率影响不大,却可以大幅度地提高径向最大应力和切向最大应力.综合切削因素得到锯片的最优锯切参数为：夹紧比0.4,回转速度228rad/s,基体厚度2.2mm,节块厚度2.8mm.     

升阻互补型垂直轴风轮的结构动态分析

为了避免风力发电机系统的共振而导致的系统损坏和噪音污染,并提高风力发电机叶片的耐用性与经济性,借助有限元计算方法,通过系统动态特性分析,得到了升阻互补型垂直轴风轮的动态特性及叶片的受力特性.结果显示,横梁是叶片支撑上容易出现危险的区域,其结构强度和抗疲劳度要求较高.在更换6根横梁的材料和尺寸之后,增加了其最大许用应力值,提高了风力发电机的安全系数,避免了风轮叶片支撑在低速旋转时频率游走于风轮第1,2阶固有频率之间的问题.升力型叶片受到近似于正弦函数的交变荷载,叶片表面主要受到拉应力的作用并且容易产生疲劳破坏.叶片在铺层时,增加0°纤维层的厚度可以使叶片抵抗更大的拉应力.     

某型发动机压气机叶-盘结构优化分析

为快速提高后续批次发动机推重比,针对压气机转子叶-盘-鼓基本结构单元,基于通用有限元软件优化设计平台和循环对称结构静应力分析方法,在不改变叶片气动外形、盘鼓连接半径等强约束条件下,通过合理预设需优化位置的形状和尺寸设计变量,建立从榫头-榫槽连接式叶盘结构到整体叶盘结构的两步优化方法,缩减了优化迭代过程中结构静应力计算用的三维有限元模型规模,提高了优化效率。运用该法对某发动机高压压气机第三级叶盘结构进行优化设计,将最大转速下叶、盘、鼓的离心和气动载荷施加到优化迭代过程中、结构静应力计算用的有限元模型上,同时设置既可线性求解、又能计入接触面上真实应力状态的叶、盘、鼓间的接触,贴合承载和接触实际。采用一阶方法进行优化求解,得到满足约束条件的尺寸设计变量解。对比分析优化前后结构的应力分布,证实该法有效,在保证结构可靠性的前提下,获得了较好减重效果。     

动静干涉下压气机叶轮气动激励与振动分析

为研究离心压气机叶轮的气动激励特征及激励作用下的振动特征,建立了单向瞬态流固耦合模型进行计算分析.利用模态分析确定了叶轮的共振工况,在此工况下进行单向瞬态流固耦合计算.讨论了叶轮与进气弯管和出口蜗壳发生动静干涉时,其表面非定常气动激励的时域与频域特征,并进一步讨论了叶轮在此气动激励下振动时的时域与频域特征.结果表明,叶轮共振时的主要振动分量是基频与共振频率处的振动分量,共振频率处较小的气动激励引发了较大的振动幅值;长叶片吸力面前缘等位置处动应力及离心应力较大,是疲劳失效危险点,叶轮易从此处萌生疲劳裂纹并发生疲劳断裂.      

某低压涡轮工作叶片高温低循环疲劳寿命预测

针对某航空发动机低压涡轮工作叶片建立了全尺寸有限元模型·根据台架试验及实际工作承载条件,综合考虑叶片工作时所承受的离心负荷与气流力,进行了弹塑性有限元分析;研究了箍带与叶身小孔的配合间隙对结构应力场分布的影响,发现叶片结构强度的薄弱之处为榫头第一喉部、叶身小孔及叶背一侧圆根处·以此为依据,对叶片进行了高温低循环疲劳寿命预测·计算结果表明:叶身小孔与箍带的最大配合间隙对结构静强度及寿命影响较大,寿命计算时应当考虑平均间隙量的影响;随着计算温度的提高,寿命计算结果大幅度下降·     

压气机动应力测试的叶-盘耦合分析方法

为评估发动机压气机转子叶片的振动特性和工作可靠性,基于循环对称结构模态分析基本理论,建立了大叶片在轮盘装配条件下的耦合振动特性分析方法。以压气机某级为研究对象通过循环对称建立叶-盘耦合结构有限元模型,得到叶-盘系统在静态和工作转速下的模态及应力分布,并通过与实验结果的对比验证了该方法的可靠性。利用Campbell图确定了叶片的危险转速,并评估特定转速下系统频率裕度,为压气机工作叶片动应力测量提供数值仿真技术支撑。     

电驱动离心压气机叶型分析及设计

通过分析基于电机驱动压气机的性能要求和工作特点,得到可运行于低转速范围下的高效电动压气机叶轮设计策略.对比普通车用涡轮增压离心压气机叶轮J90和电动压气机叶轮JE90以及分析两种不同应用场合的叶轮的子午流道外形、叶片角分布和叶片载荷分布等存在的差异,得到低比转速电动压气机叶轮叶型的几何设计规律和策略.结果表明:优化子午流道外形可以改善流动情况,减小二次流损失;分流叶片后掠可以增大失速裕度和稳定工作裕度,叶轮尾部叶片角分布中可以选择较小的出口叶片角以提高其做功能力,加大吸力面和压力面的载荷差距,即压差更大可增强对空气做功能力;主叶片厚度最大值不宜过大且保证在中间跨度的厚度分布均匀.      

基于叶片应变测量的航空发动机风扇外物撞击监测识别

飞机在跑道上滑跑、起飞与着陆过程中的发动机外物撞击监测对其飞行安全保障至关重要。为监测识别发动机工作过程中的外物撞击事件,通过风扇叶片外物撞击模拟试验平台开展外物撞击模拟试验,采用应变测量的方法对叶片应力进行实时测量与分析,实现风扇外物撞击事件监测识别的目的。试验与分析结果表明：获取了数值模拟与应变测量的风扇转子叶片结构特性图,数值模拟与试验测量动频最大误差为0.86%；外物撞击使叶片的一阶动频幅值发生较大的增加,通过试验过程中的应变测点时频图可监测识别外物撞击事件发生的时刻、频次与位置等。     

压气机性能对粗糙度的敏感性的分析

当沉积物粘附在叶片表面后,将会使得压气机叶片表面的粗糙度增大,导致气流通道的流通能力降低,这将会使压气机的增压比、效率降低.分别对不同粗糙度以及不同转速下的压气机性能进行仿真,结果表明：压气机在不同粗糙度和不同转速下,效率对粗糙度的变化最敏感,对估计压气机叶片表面粗糙度的确定具有指导意义.     

转子叶片撞击瞬态响应分析

以某型航空发动机高压压气机一级转子叶片为模型,采用解析方法,建立了正常工作中的转子叶片受折断叶片撞击时的动力学方程.确定了系统的边界条件,给出了受撞击叶片对冲击载荷响应的解析表达式,从而使得转子叶片受到来自内部折断叶片撞击时的瞬态响应可以被解析地获得.最后,通过一个算例进行了正常工作中的转子叶片受折断叶片撞击时的瞬态响应分析.计算结果表明:当发动机转速为10 000 r/min,撞击位置距叶根0.05 m,撞击时间0.02 s时,该长、宽、厚分别为0.07 m0、.03 m、0.005 m的转子叶片在撞击脉冲力作用下撞击点的最大瞬态位移可达0.002 92 m,不容忽视.