涡轴发动机悬臂型动力涡轮转子定点碰摩仿真

针对某型涡轴发动机动力涡轮转子的悬臂结构特征,基于ANSYS建立转子叶片-机匣有限元模型,并进行临界转速测试试验验证所建立模型的准确性.针对转子叶片-机匣可能出现的定点碰摩故障,以二次函数拟合叶尖-机匣间因机匣凸点产生的静态间隙变化,并基于静态间隙函数与分段线性碰摩力理论,建立动力涡轮转子叶片与机匣内壁的定点碰摩模型,同时考虑不平衡载荷,开展定点碰摩仿真.研究表明:在发生不平衡-定点碰摩故障时,区别于扭振,弯曲振动的基频幅值主要由不平衡故障引起;转轴中心点的弯振频谱图、扭振频谱图都出现倍频分量,且与转子每周碰摩次数相关的倍频幅值增大明显;此外,不平衡-定点碰摩故障还将导致接近系统扭振固有频率的扭振倍频幅值的分量增大.     

考虑机匣柔性的新型旋转叶片-机匣碰摩模型

针对旋转叶片与机匣的碰摩故障，以弹性叶片和柔性机匣作为研究对象，基于弹性协调相容条件推导新的旋转叶片与柔性机匣碰摩力模型.基于材料力学理论，考虑叶片旋转效应，如离心刚化和旋转软化，以及碰摩软化的影响，计算了叶片的准静态弯曲变形.采用带有弹簧支承的柔性环来模拟机匣，其位移由整体位移和局部柔性位移组成.根据能量守恒原理，建立柔性环的位移方程，并对其进行离散处理，得到机匣的结构刚度，进而求得机匣局部柔性位移.与文献和实验结果的对比验证了本文碰摩模型的准确性.     

机匣处理对离心压气机激波与泄漏涡干涉的影响

跨声速离心压气机间隙泄漏涡与激波相互干涉对压气机性能有重要影响.采用CFD方法对设计的跨声速离心压气机进行数值模拟,分析了激波与间隙泄漏涡的相互作用,研究了自循环机匣处理开缝位置对激波/间隙泄漏涡干涉的影响.结果表明:导风轮叶尖泄漏涡与激波干涉是压气机失速的重要诱因;机匣处理开缝位于分流叶片附近可扩大堵塞流量,开缝位于主叶片前缘附近可改善小流量时压气机特性;较大气体回流量可增加叶轮进口轮缘附近气流的正预旋,降低叶轮进口相对马赫数,减弱流道激波和叶尖泄漏涡;流经机匣处理槽的气流量较小时,具有微喷气或吸气效应,能抑制间隙泄漏涡,推迟压气机失稳.     

非线性转子-机匣系统碰撞稳定性分析

转子与机匣的碰撞在一定条件下可能诱发转子失稳.以转子-机匣系统为研究对象,将转子和机匣视为弹性体并考虑了阻尼的效应,建立了非线性转子-机匣系统的碰磨模型和动力学方程.利用Lyapunov运动稳定性理论和Routh-Hurwitz稳定性准则分析了系统的碰撞和失稳条件,通过数值方法和Matlab程序得到了碰撞和失稳的临界转速以及系统参数对临界转速的影响.理论分析和实例计算表明,转子及机匣的刚度和阻尼对临界转速的影响较大,增大机匣刚度和转子的阻尼可以增大碰撞的临界转速,失稳发生在转速较高时,且失稳的临界转速比碰撞得临界转速高的多.具有重要的工程实用价值,为旋转机械的设计和参数优化提供了理论基础.     

基于Hertz接触理论的叶片-机匣碰摩模型

针对航空发动机的叶片-机匣碰摩现象,考虑旋转效应以及摩擦热效应,建立Hertz碰摩模型,分析碰摩径向形变量的影响因素.通过对比现有法向碰摩力模型的实验结果,验证所建立模型的准确性,并分析了旋转速度、机匣刚度、摩擦因数等参数对碰摩径向形变量的影响.通过叶片热固耦合仿真分析发现,摩擦热效应对部件的径向变形和应力分布具有一定的影响.     

基于机匣应变的航空发动机碰摩故障识别

针对双转子航空发动机采用柔性机匣设计理念，提出了在进气机匣或中介机匣承力支板加装应变桥路，从机匣动应变中提取特征频率来识别发动机转静碰摩故障的一种方法。建立了简化的转子-机匣碰摩动力学模型，分析得出了双转子发动机转静碰摩特征频率，利用该特征频率准确识别出了某型发动机飞行试验中多次转静碰摩故障。理论分析和飞行试验表明：机匣应变能够灵敏的拾取转静碰摩振动信号；双转子发动机发生转静碰摩时，振动频谱中会出现mΩH±nΩL高低压转频组合频率成分，可依据该组合频率来判断碰摩故障是否发生；振动频谱中出现mΩH±ΩL组合频率成分并不能定位高压转子发生碰摩，同理，振动频谱中出现ΩH±nΩL组合频率成分也不能定位低压转子发生碰摩。     

带有孔式机匣的离心压气机非定常数值模拟

对半开式离心压气机提出了孔式机匣处理方式并对近失速点工况下的流场进行了非定常的数值模拟.分析计算结果发现,抽吸孔对叶顶区域的低能量流体有抽吸作用,造成叶顶区域尤其是叶顶间隙内对应抽吸口位置出现压力波动区域.抽吸孔内的抽吸气流重新进入压气机入口,不仅可以增大压气机入口的局部流量,而且具有时间和空间上的周期性,对压气机入口叶顶区域的流动形成周期性的激励,使得压气机入口叶顶区域的流动也具有周期性.孔式机匣处理方式主要影响的是压气机叶片顶端的剪切流动区域,干扰了叶顶间隙内的流动,造成压气机稳定工作范围的扩大.     

激励频率影响下的碰摩Jeffcott转子的非线性动力学行为分析

机械设计中为提高旋转机械的输出功率,采用的重要措施之一就是缩小旋转机械转子与静子之间的间隙,从而导致转静子间的碰撞与摩擦的可能性增大。所以大型旋转机械中动静件间碰摩是机组运行中常见的故障,主要发生在机组动静叶片密封、转子轴封以及滑动轴承等处。如果碰摩现象经常发生,使转子或叶片长期受到冲击作用,就有可能导致叶片的断裂,甚至引发其他严重故障,造成重大经济损失甚至人员伤亡。因此,通过试验探究转子系统碰摩发生的振动特征,特别是早期碰摩特征,并设法检测这些特征,对于转子系统避免碰摩故障及急发性故障的发生以及机组的良好运行无疑具有现实的意义。     

基于圆弧斜缝处理机匣的压气机叶顶泄漏流实验和数值研究

为研究处理机匣对压气机总体性能、叶顶流动非定常性以及旋转不稳定性的影响,基于圆弧斜缝处理机匣对一台单级低速轴流压气机叶顶泄漏流进行被动控制.通过实验对不同工况下的叶顶脉动压力进行频谱分析,并对比机匣处理前后压气机性能以及转子叶顶区域流场特性的变化.结果表明:圆弧斜缝处理机匣能够使压气机获得6.8%的失速裕度提升量,抑制旋转不稳定性现象对应的频谱上的宽频带凸起,推迟泄漏涡的起始位置,进而消除了跨越相邻叶片周向传播的流动现象.斜缝内形成的回流能够抽吸低速流体,减少流道堵塞,改善叶顶的通流能力.     

机匣引气再循环拓宽压气机工作范围的仿真研究

高压比离心式压气机高效率工作范围窄,喘振裕度低。为了拓宽其高效工作范围,将机匣引气再循环技术应用于高压比离心式压气机。采用数值模拟方法对其进行仿真研究,对各结构尺寸对压气机性能的影响进行对比。结果表明,引气再循环系统使该离心压气机各转速下稳定工作范围平均拓宽13%以上,喘振裕度最大增加11%。抽吸槽与分流叶片的距离在引气再循环结构尺寸中对离心压气机性能影响最大,其次是抽吸槽的宽度,其余结构尺寸对其影响较小。引气再循环使压气机叶轮入口相对马赫数分布更加均匀,减弱叶片前缘局部高马赫数的现象,使叶片入口正攻角减小,抑制了叶片表面边界层的分离。     

实验室砂尘颗粒冲蚀-腐蚀交替试验技术研究进展

 调研了砂尘环境、砂尘颗粒冲蚀相关的试验方法,着重对比砂尘流高速冲击试样方法的相同点和主要区别,确定了喷磨试验方法更适合开展压气机叶片、风扇叶片的冲蚀试验研究。冲蚀试验设计采用 GJB 241A-2010、GJB 242A-2018所示成分和粒度的砂尘,通过控制送砂速率和试验时间达到实际服役中压气机转子叶片、风扇叶片的砂尘作用量,当量发动机使用1年的砂尘冲刷环境。另外,采用砂尘颗粒冲蚀试验与GJB 150.11A-2009盐雾试验交替的方案更贴近实际环境。     

汽轮机启动过程中轴瓦振动大的诊断与处理

对汽轮机启动过程中发生振动故障要从多方面考虑并仔细检测和分析,特别要注意分析振动产生的机理并提出可行处理方案。对于发生在轴封处的动静碰磨现象,采用磨轴封是有效的,关键是要在磨轴封的过程中,严密监视振动状态的变化,防止大轴发生永久性弯曲,保证机组安全运行。     

跨声速轴流压气机转子Rotor37周向槽机匣处理的数值研究

以跨声速压气机转子Rotor37为研究对象,采用商业软件NUMECA数值研究了单槽处理机匣的轴向位置对于压气机性能及内部流场的影响。周向槽处理机匣的宽度为3 mm,深度为10倍叶尖间隙,即3.56 mm,起始位置分别位于轮缘机匣尖部型面的10%、20%、30%、40%、50%相对弦长处。数值计算结果表明:原始光壁压气机转子的失速原因为叶尖泄漏流动引发的低速区对于尖部叶片通道的堵塞,其稳定工作裕度为14.74%。采取的周向槽机匣处理能够改变转子叶尖流动堵塞状况。当机匣处理起始位置位于30%相对弦长时,压气机转子稳定工作裕度的提升量最大,相比原始压气机转子的稳定裕度提高了1.86%。     

跨声速离心压气机叶尖区旋涡流动特征

车用增压器高压比的发展趋势,使得跨声速离心压气机叶尖区流动对气动性能影响更为重要.采用三维CFD方法,研究了跨声速离心压气机叶尖区流动对性能的影响.结果表明:额定、近失速和堵塞工况的激波呈现多样性;额定和近失速工况主叶片前缘发出的泄漏涡与相邻主叶片压力面相撞分裂成两支,堵塞工况主叶片的泄漏涡出现在压力面侧;3种工况分流叶片泄漏涡与主叶片的泄漏涡均在同一通道流出叶轮;1/2主叶片弦长之后,3工况的分离旋涡与通道涡的尺度和分布特征基本相同,叶片吸力面与机匣相交的角区形成高损失核心区.对激波结构和旋涡特征的分析有助于认识叶轮内损失分布规律和产生损失的机理.     

径向偏转缝式机匣处理扩稳的机理

为验证缝前端不同径向偏转的机匣处理的扩稳效果,通过定常与非定常数值研究的方法,以工作于设计转速下的rotor 67为载体,研究机匣处理对rotor 67稳定性的作用.详细地分析各工况下它们对叶顶流场、间隙泄漏流和叶顶激波的影响,确定它们对压气机稳定性的作用机理.研究发现:实壁机匣近失速工况时rotor 67发生了叶尖堵塞型失速;3种缝式机匣处理都能进行有效的扩稳,其中缝前段逆旋转方向偏转的CTP45机匣处理提高了转子的综合失速裕度27%,实壁机匣近失速工况下降低了转子效率0.98%,但提高了通过转子气流的压比,它有效地抑制了转子叶片压力面前缘的阻塞气流团,获得了最好的扩稳效果.随着流量的减小,压比的增加幅度更加明显.     

多级轴流压气机末级静子叶片串列改型方法及流动机理研究

针对多级轴流压气机末级静子叶片转折角大、角区分离严重、流动损失显著的问题,以某工业用6.5级轴流压气机末级静子为主要研究对象,提出了一种三维串列叶片几何参数化建模方法,能够实现对串列参数沿叶高分布规律、叶片弯掠等三维特征的灵活控制,以支持单列叶片向串列叶片的改型设计,并结合数值计算方法,开展了末级串列静子改型设计对压气机气动性能及内部流场的影响研究。结果表明：对6.5级轴流压气机,末级静子叶片由单列改为串列后,6.5级压气机设计工况绝热效率提高了0.965%,稳定工况范围有所拓宽;串列叶片缝隙区射流的流动局部加速作用能够抑制角区分离的周向和径向发展;相比机匣附近,轮毂附近串列参数的变化对压气机气动性能的影响更为显著,且周向交错度较轴向重叠度的影响更大。研究成果对多级环境下压气机三维串列叶片设计具有参考价值。     

汽轮机进水、进冷汽事故分析及对策

汽轮机进水、进冷蒸汽会引起汽缸严重变形、推力轴承损坏、动静间隙消失发生碰磨、大轴弯曲、叶片折断等导致设备严重损坏。     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽参数化研究

针对离心压气机在近失速工况点运行时,扩压器进口气流角为正攻角,造成其吸力面发生流动分离,从而导致压气机发生失速甚至喘振等问题,为进一步扩大离心压气机的稳定工作范围,需对扩压器近失速工况点的流动分离进行抑制。以某高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展了扩压器叶片前缘开槽的参数化研究,详细探讨了开槽长度、深度对离心压气机性能、稳定裕度的影响规律,归纳总结了离心压气机扩压器的最佳开槽参数。研究结果表明:随着开槽深度、长度的增加,失速裕度有所提高但压气机性能有所下降;实际设计中开槽深度不应超过叶片高度的9%,最佳开槽长度不应超过叶片弦长的6%～12%;当扩压器开槽深度为叶片高度的3%、开槽长度为叶片弦长的6%～12%时,压气机性能最佳。扩压器开槽可有效抑制其通道内的流动分离,并提高压气机的失速裕度。     

多自由度碰磨转子系统非线性动力学特性分析

大型旋转机械转子、静碰摩故障具有高维非线性特征,由此产生的机械故障时有发生.根据某航空发动机转子,考虑非对称圆盘的陀螺力矩效应条件下,利用拉格朗日原理建立8个自由度弹性支撑转子系统的碰磨动力学模型.研究表明,当系统发生碰磨时,其幅频特性有明显变化;引进改进的POD方法成功将具有碰磨故障的系统降维为具有两个自由度低维非线性系统.数值模拟结果显示降维系统具有与原系统一致的非线性动力学特征,表明本方法对解决高维非线性问题具有较好的有效性.此外,还利用C-L方法对其进行分岔分析,讨论了系统参数与系统动态行为之间的关系,得到了含碰磨故障转子各种不同分岔模式,准确反映了碰磨转子的动力学特征.     

脉冲力加载下的叶片-机匣动力学特性研究

针对叶片与机匣碰摩故障,将叶片简化为悬臂梁,采用Timoshenko梁单元建立了叶片在脉冲力加载下的动力学方程,同时考虑了柯氏力与离心力的影响.对不同转速下的叶片的动力学特性进行数值仿真.通过分析发现,在低转速时,叶尖位移的振动与脉冲力加载同步,并且在力消失后,叶片处于高频振动;而在高转速时,叶尖振动会由于惯性等原因,与力的加载不同步,表现出非线性特征,而自由振动时间较短,很快便进入下一周期,叶片处于低频振动.并且发现,由于离心刚化的作用,使得高转速时叶片的位移要小于低转速时的位移.