燃机引射器活门机构的流—固—热耦合特性研究

作     者：孙永航 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗忠

授予年度：2021年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：活门机构 计算流体力学 流-固-热耦合 强度分析 刚柔耦合 

摘      要：在航空发动机和燃气轮机追求高性能的趋势中,各类运动调节机构在提高整机性能等方面起到重要作用。运动调节机构在运行时常常承受着气动、热、离心、振动等多类型载荷的耦合影响,因此失效问题愈发显著,威胁着发动机的正常工作。仅考虑上述一种载荷作用的设计分析,既不符合发动机的实际工况,也无法满足新一代发动机的实际需求,因此开展典型运动调节机构的多场耦合特性的相关研究对发动机的流场设计与强度设计具有重要的意义。本文针对某型燃气轮机排气引射器活门机构,进行了该结构的流-固-热耦合特性分析,涉及引射器流场的流动特性、活门机构的运动特性、阀片结构的力学特性,以及振动特性、耦合界面数据传递等几方面,所述的流-固-热耦合分析方法,可对静叶调节机构、矢量喷管、反推力装置等运动调节机构的强度分析与结构优化提供参考。主要研究内容包括:(1)为分析引射器的流动特性,基于连续性方程、能量守恒定律、伯努利方程、完全气体状态方程,推导了一维引射器的通用方程,得出了出口压力的影响因素。根据活门机构的结构及工作原理,分析了阀片的运动规律,得到了输入量滑块位移与输出量阀片转角之间的关系;(2)以某型燃气轮机排气引射器为研究对象,根据实际结构建立了引射器流场模型,在与文献结果对比验证了稳态仿真方法的正确性的基础上,进行了引射器流场模型的稳态和瞬态求解,获得了活门运动过程中流场温度、压力的变化规律;(3)针对引射器活门阀片在流-固-热耦合作用下的结构强度问题开展研究,建立了阀片的结构模型,以瞬态CFD仿真的气动载荷与热载荷和活门运动时的离心载荷,确定了对应的边界条件,对阀片进行了单向流-固-热耦合静力学分析,获得了阀片温度的变化特性及其强度的主要影响因素;(4)对引射器活门阀片的流-固-热耦合动力学特性开展研究,建立了阀片的有限元模型,基于Kriging模型完成了气动、热载荷向结构场的插值传递,确定了阀片的接触边界条件,对阀片进行了瞬态动力学分析,获得了在流-固-热耦合下活门阀片的振动响应及动力学特性变化规律;(5)针对刚柔耦合活门机构进行了多场耦合多体动力学分析,首先,建立了单活门机构的多体动力学模型,通过与理论计算对比,验证了所建立模型的正确性;其次,将阀片柔性化,与整体活门机构刚柔耦合动力学模型对比,验证了单活门机构模型仿真的可行性;最后,引入气动、热载荷,对刚柔耦合单活门机构的运动规律、结构强度、振动响应进行了分析,并对结构优化提出了针对性建议。