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跨声速压气机叶栅流动状态的试验和数值研究

西安交通大学学报 2024年第7期58卷 13-25页

作者：孟凡杰宫超玄唐洁李景银魏巍郭朋华西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所四川绵阳621000

针对跨声速压气机叶栅风洞试验过程中存在的唯一冲角问题,通过开展不同来流马赫数以及不同背压条件下的平面叶栅风洞试验测量和数值模拟研究,阐明了高亚声和超声来流条件下跨声速压气机叶栅栅前流场唯一性不同的形成机制,分析了静压比... 详细信息

针对跨声速压气机叶栅风洞试验过程中存在的唯一冲角问题,通过开展不同来流马赫数以及不同背压条件下的平面叶栅风洞试验测量和数值模拟研究,阐明了高亚声和超声来流条件下跨声速压气机叶栅栅前流场唯一性不同的形成机制,分析了静压比对叶栅流动状态和激波结构的影响机制。研究结果表明:跨声速叶栅在低背压条件下叶栅内激波结构为双激波模式,表现为前缘脱体激波和通道正激波,随着背压的增加,通道激波位置逐渐前移并最终与脱体激波合并,形成单激波模式。超声速来流条件下,栅前流场参数受激波-膨胀波波系的影响呈现出波浪分布,其测量位置至少应距离叶栅前额线50%弦长。理论分析结果表明:跨声速叶栅的唯一冲角现象可扩展到高亚声速状态,但其物理机制有所不同,超声速状态下进口气流角取决于来流马赫数和叶栅入口几何形状,而亚声速状态下进口气流角取决于来流马赫数和叶栅喉部面积。随着静压比的提高,跨声速叶栅运行状态经历堵塞状态-溢出状态-设计状态的转变,在来流马赫数为1.10时总压损失系数由0.175递减为0.082,降幅超过50%。叶栅变背压试验结果表明,静压比超过1.379时流场三维效应增强,影响到叶栅流动的周期性,并且栅后节流板会干扰到尾迹参数的测量。该研究结果有助于理解跨声速叶栅运行状态、激波结构以及栅前流场唯一性机制,同时可对跨声速叶栅试验起到指导作用。

关键词：压气机叶栅激波唯一冲角静压比

采用样条曲面非轴对称端壁成型的高压涡轮动叶气动优化

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西安交通大学学报 2024年第3期58卷 38-48页

作者：王杰王政欧阳玉清陶志宋立明李军西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002

为了提升高负荷涡轮级的气动效率,发展了基于样条曲面的非轴对称端壁造型方法。以该参数化造型方法为基础,结合高效智能优化算法和经过校核的数值仿真方法,建立了涡轮非轴对称端壁设计优化平台,并以某小展弦比高压涡轮级为研究对象,以... 详细信息

为了提升高负荷涡轮级的气动效率,发展了基于样条曲面的非轴对称端壁造型方法。以该参数化造型方法为基础,结合高效智能优化算法和经过校核的数值仿真方法,建立了涡轮非轴对称端壁设计优化平台,并以某小展弦比高压涡轮级为研究对象,以效率为优化目标,以流量为约束条件,在级环境和发动机工况下开展了非轴对称端壁优化设计。结果表明:优化设计后的涡轮动叶相对于参考设计,涡轮级的总总效率提升0.26%;非轴对称端壁造型改变了动叶下端壁附近的压力分布,动叶吸力面侧压力系数相对于参考设计显著提升,这降低了动叶叶片通道内的横向压力梯度,抑制了通道中的二次流动;非轴对称端壁造型改变了叶片通道中的涡系结构,相对于参考设计,非轴对称端壁造型使得马蹄涡压力面分支在叶片通道内部沿着叶片压力面迁移,在靠近通道出口的位置才汇入通道涡,这削弱了通道涡的强度,进而降低了气动损失,提高了涡轮级效率。

关键词：高压涡轮非轴对称端壁气动性能优化设计

机械蒸汽再压缩蒸发结晶系统自适应逐时优化研究

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西安交通大学学报 2024年第3期58卷 49-57页

作者：姜华秦华宫武旗西安科技大学能源学院西安710054 西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为实现工业废水处理过程中进料流量和进料浓度波动状态下的机械蒸汽再压缩系统逐时优化,建立了基于自适应SPAE2算法的逐时优化模型。采用SPEA2算法并结合自适应交叉概率、变异概率以及组合权重法的多目标逐时优化,以系统总功耗和总换热... 详细信息

为实现工业废水处理过程中进料流量和进料浓度波动状态下的机械蒸汽再压缩系统逐时优化,建立了基于自适应SPAE2算法的逐时优化模型。采用SPEA2算法并结合自适应交叉概率、变异概率以及组合权重法的多目标逐时优化,以系统总功耗和总换热面积为优化目标,得到蒸发温度、压缩温升的最优组合。在原始研究的基础上,改进了SPEA2算法,并且将原始数据与优化结果进行对比,自适应SPEA2算法具有更强的全局寻优能力,优化结果具有更高准确性。利用最小二乘法对优化结果进行数据拟合,优化结果与恒定蒸发工况下结果相比:系统总功耗平均降低123.7 kW,换热面积平均减少36.3 m^(2);性能系数和㶲效率分别平均提高8.8%和26.6%,㶲损失平均降低102.3 kW。研究结果表明,所建立的系统逐时优化模型可以得到系统进料波动状态下各设备参数逐时变化值,提高了目标系统的能量利用率和热力学完善度。

关键词：机械蒸汽再压缩逐时优化自适应SPEA2算法废水性能分析

面向叶片损伤修复的机器人电弧熔丝沉积工艺研究

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机械工程学报 2024年第6期60卷 187-196页

作者：陈祉旭李晨星杨春利哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室哈尔滨150001

电弧熔丝沉积修复薄壁变宽度叶片时,控制尖角处熔塌和确保各层等高是一大技术难题。本文面向整体叶盘叶片损伤修复工艺技术需求,通过设计TC4钛合金叶片模拟件,进行机器人操作钨极气体保护电弧(Gas tungsten arc,GTA)熔丝沉积工艺技术研... 详细信息

电弧熔丝沉积修复薄壁变宽度叶片时,控制尖角处熔塌和确保各层等高是一大技术难题。本文面向整体叶盘叶片损伤修复工艺技术需求,通过设计TC4钛合金叶片模拟件,进行机器人操作钨极气体保护电弧(Gas tungsten arc,GTA)熔丝沉积工艺技术研究。提出一种控形拘束片控制尖角处熔塌及沉积成形的方法。针对界面上散热条件的不同,结合脉冲电流工艺精确调控热输入分布,实现了首层至前5层沉积宽度及高度一致性良好的成形。此时沉积层成形宽度均匀,上表面高度波动范围在±0.12 mm。随后结合恒定工艺参数进行了40层沉积,沉积区壁厚控制精度为±0.17 mm,各层上表面成形基本平整。模拟修复件组织细小均匀,平均极限抗拉强度和伸长率分别达到基体的92.5%和94.7%,为叶片高精度修复奠定了工艺基础。

关键词： GTA电弧熔丝沉积控形拘束片电流调控脉动送丝成形控制

基于流固耦合的压气机转子叶片非同步振动分析

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力学学报 2024年第3期56卷 635-643页

作者：汪松柏霍嘉欣赵星陈勇吴亚东张军上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 中国航发四川燃气涡轮研究院成都610500

压气机转子叶片非同步振动是近年来发现的一类新气动弹性问题,表现为叶片振动频率与转频不同步且具有锁频现象,严重影响航空发动机的可靠性和运行安全,目前对其产生机理并不完全清楚.为了深入研究压气机内不稳定流动与叶片非同步振动之... 详细信息

压气机转子叶片非同步振动是近年来发现的一类新气动弹性问题,表现为叶片振动频率与转频不同步且具有锁频现象,严重影响航空发动机的可靠性和运行安全,目前对其产生机理并不完全清楚.为了深入研究压气机内不稳定流动与叶片非同步振动之间的耦合机制,基于时间推进的方法建立了多级压气机转子叶片全环的双向流固耦合模型,数值研究了刚性叶片与非同步振动柔性叶片的非定常流场、气流激励频率和结构响应特征,揭示了压气机转子叶片非同步振动的流固耦合机制.结果表明:近失速工况下,转子叶尖吸力面径向分离涡的周期性脱落及再附过程是导致叶尖压力剧烈波动的主要原因,其3倍谐波激励频率与转子一阶弯曲固有频率接近,提供了叶片非同步振动的初始气流激励源.叶片非同步振动发生时,位移响应表现为等幅值的极限环特征,振动以一阶弯曲模态主导,径向分离涡产生的非整数倍气流激励频率及其谐波频率最终锁定为叶片一阶弯曲固有频率,非同步振动的运动胁迫使得相邻通道叶尖流场周向趋于一致.研究成果及对叶片非同步振动流固耦合机制的认识可为压气机内部不稳定流动诱发的叶片振动失效分析提供有益参考.

关键词：压气机转子叶片非同步振动流固耦合极限环非定常流动

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涡轮叶片冷气掺混损失计算模型简化方法研究

工程热物理学报 2024年第4期45卷 1001-1006页

作者：王宇林李志刚李军西安交通大学能源与动力工程学院叶轮机械研究所西安710049 先进航空发动机协同创新中心北京100191

本文采用CFD软件ANSYS CFX对某带冷气射流的燃气涡轮高热负荷叶片进行了数值模拟,提出了2种适用于不同情况的单排孔冷却叶片的计算模型简化方法,有效地简化了模型结构、节约了计算成本。该简化思路适用于带叶身气膜冷却直叶片的数值计算... 详细信息

本文采用CFD软件ANSYS CFX对某带冷气射流的燃气涡轮高热负荷叶片进行了数值模拟,提出了2种适用于不同情况的单排孔冷却叶片的计算模型简化方法,有效地简化了模型结构、节约了计算成本。该简化思路适用于带叶身气膜冷却直叶片的数值计算,另外,本文还提供了一种分块结构化网格生成方法。

关键词：气膜冷却计算模型简化分块结构化网格

燃气透平榫头/榫槽装配间隙流动与换热特性研究

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西安交通大学学报 2024年第5期58卷 88-98页

作者：刘钊孙睿樊远航丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为精确设计燃气轮机二次空气系统,针对燃气透平动叶榫头/榫槽间隙内的流动与换热问题开展研究。以燃气透平动叶榫头/榫槽配合面S形间隙结构为研究对象,试验研究了榫头/榫槽装配间隙内的流阻与换热特性,并数值分析了其详细流动结构。首先... 详细信息

为精确设计燃气轮机二次空气系统,针对燃气透平动叶榫头/榫槽间隙内的流动与换热问题开展研究。以燃气透平动叶榫头/榫槽配合面S形间隙结构为研究对象,试验研究了榫头/榫槽装配间隙内的流阻与换热特性,并数值分析了其详细流动结构。首先,采用压力扫描阀和热色液晶测温技术测量了榫头/榫槽内的流阻和努塞尔数分布。然后,利用试验结果对所采用的数值计算方法进行了考核,并进行了网格无关性验证。最后,详细分析了5种雷诺数、5种结构参数榫头/榫槽高度及5种间隙宽度下榫头/榫槽装配间隙结构内部流动与换热特性。结果表明:在试验测量范围内,左侧壁面的平均努塞尔数始终比右侧高10%左右;随着雷诺数的增大,榫头/榫槽装配间隙的阻力损失系数和换热强度均逐渐增大,当雷诺数从15000增大到35000时,平均阻力系数增大了2倍,两侧面整体平均努塞尔数均增大了1.1倍;随着榫头/榫槽装配间隙相对高度的增大,阻力损失系数及壁面努塞尔数均逐渐减小;随着榫头/榫槽装配间隙宽度的增大,试验范围内平均阻力系数增大了30.7%,左右两侧面平均努塞尔数分别增大了95.5%和94.9%。

关键词：榫头/榫槽装配间隙流动特性换热特性

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大压差下热塑性迷宫密封泄漏特性研究

机械工程学报 2024年第15期60卷 194-204页

作者：刘跃黄民李永健安琪蒋杰北京信息科技大学机电工程学院北京100192 清华大学机械工程系北京100084 成都市排水有限责任公司物资设备中心成都610039

耐磨损抗腐蚀等优点的热塑性材料迷宫密封可以有效降低泄漏量,但关于大压差下的泄漏特性研究相对较少。考虑大压差下密封环变形与流场的相互作用,建立三维双向流固耦合模型,分析其内部流场特点,以此研究迷宫密封的间隙变化及泄漏特性。... 详细信息

耐磨损抗腐蚀等优点的热塑性材料迷宫密封可以有效降低泄漏量,但关于大压差下的泄漏特性研究相对较少。考虑大压差下密封环变形与流场的相互作用,建立三维双向流固耦合模型,分析其内部流场特点,以此研究迷宫密封的间隙变化及泄漏特性。搭建迷宫密封实验系统,该系统可实现最高3 MPa试验压差。在大压差的实验条件下,气体膨胀导致的温度降低是影响泄漏量的关键因素之一。通过分析密封流场特点发现气体在密封间隙内的实际流通截面类似拉瓦尔喷管结构,该结构有助于气体在间隙内加速。气体在最后一级密封间隙处达到音速后会形成“堵塞现象”,该现象会导致最后一级空腔内流场压力显著升高。通过固体模型分析得出流场压力导致密封环整体变形也是影响密封间隙的重要因素。最终,通过实验验证了流固耦合模型的准确性,模型计算结果与实验测量结果最大误差为6.2%。

关键词：迷宫密封泄漏双向流固耦合大压差堵塞现象

变工况条件下角接触球轴承疲劳剥落故障演化加速试验载荷谱研究

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机械工程学报 2024年第13期60卷 193-204页

作者：邓智铭黄土地黄洪钟尉询楷王浩电子科技大学机械与电气工程学院成都611731 电子科技大学系统可靠性与安全性研究中心成都611731 北京航空工程技术研究中心北京100076

航空发动机主轴轴承在实际运行中承受着复杂的时变载荷,如何在实验室内,在不改变失效机理的情况下进行主轴轴承的加速寿命试验是重大技术难题,重要原因是在变工况条件下进行航空发动机主轴轴承加速试验缺乏加速试验载荷谱。在此背景下,... 详细信息

航空发动机主轴轴承在实际运行中承受着复杂的时变载荷,如何在实验室内,在不改变失效机理的情况下进行主轴轴承的加速寿命试验是重大技术难题,重要原因是在变工况条件下进行航空发动机主轴轴承加速试验缺乏加速试验载荷谱。在此背景下,通过变工况条件下角接触球轴承的疲劳剥落故障演化机理分析,提出疲劳剥落故障演化加速试验载荷谱的研制方法。首先建立考虑温度与润滑的7208AC角接触球轴承的拟动力学模型,求解轴承接触参数。再基于扩展有限元法(Extended finite element method,XFEM),建立轴承滚道表面疲劳剥落故障演化仿真模型。然后,以接触参数为输入,以基于断裂力学分析得到的裂纹扩展速度与方向为迭代更新准则,实现对疲劳剥落故障演化的动态模拟。最后,基于剥落故障演化机理分析结果,插值制订加速因子为1.5的轴承变工况加速试验载荷谱,并利用疲劳剥落故障演化仿真模型对载荷谱的可行性进行验证。结果表明,在所制订的变工况加速试验载荷谱下,轴承的实际疲劳剥落加速因子与理论值相近。所提出的变工况载荷谱制定方法,可为航空发动机主轴轴承的加速试验提供重要的理论依据。

关键词：拟动力学模型疲劳剥落裂纹扩展有限元分析加速试验