An essential device for managing the vectoring nozzle's thrust direction is the thrust-vectoring nozzle adjusting mechanism. The attitude of an aircraft's flight may be changed by adjusting the vectoring nozzle's airflow, which affects the direction of thrust. The adjusting mechanism's motion precision and operational stability are crucial in this procedure. In this paper, the influence of the clearance of the motion joint on the dynamic characteristics of the thrust-vectoring nozzle adjusting mechanism under different flight conditions are studied. First, a dynamic model of the thrust-vectoring nozzle adjusting mechanism that takes into account the clearance and friction properties of the motion joint is constructed by combining the Lagrange equation of the first sort with the mixed contact force model and the LuGre friction model. Second, the variation law of nonlinear contact stiffness is explored, and the precision of the dynamic model is confirmed by contrasting the results of the numerical simulation with those of the Simulink simulation. Finally, the simulation results reveal that while the motion joint's clearance causes the adjusting blade's velocity and acceleration to vibrate violently and momentarily during early operation, this clearance has minimal effect on the precision of blade motion throughout the stable phase.
为解决传统扰动参数化方法的设计能力不足等问题,以拓展自由变形技术为基础开发相应参数化方法以改进伴随优化系统,并对典型跨声速风扇/压气机转子Rotor 67进行叶片-端壁一体化伴随优化.结果表明:经过伴随优化,Rotor 67转子在流量、压比等工况约束变化较小的前提下效率提升了0.74%,且整体特性同样得到了大幅改进,而优化前后的几何与流动变化表明,端区几何调整及叶片吸力面变化引起的吸力面加速减弱、激波强度降低、角区分离涡结构改进等,均是性能提升的内在原因.
为实现多学科信息的融合与沉浸式表达,针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不足、仿真实时性低等问题,开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统.在信息融合与实时交互方面,研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术,实现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能;在数据可视化及3维渲染方面,研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技术,对温度、压力等流场数据进行实时映射,实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果.基于上述研究工作,在中国首次开发了1套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统,结果表明:该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数据的关联与交互.相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景,为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机研发提供关键技术支撑和参考.
为了解决航空发动机的高温热防护问题,通过RNG k-ε湍流模型开展了U型再生冷却通道内超临界压力RP-3航空煤油换热特性数值研究.探究了进口参数、固壁热导率、壁面粗糙度对换热的影响机制.基于流场和温度场揭示了换热特征和换热机理,通过离心力参数讨论了其作用机制,阐述了二次流对换热的影响,提出了换热关联式,其预测偏差处于±20%以内.结果表明:上游水平通道和下游水平通道受非对称加热作用产生弱二次流,弯通道受离心力作用产生强二次流,高温区近壁流体吸热能力降低造成传热恶化,最高壁温约为935 K;离心力促使热流产生显著的周向迁移.在高进口温度下传热恶化起始位置提前到弯通道,加剧了离心力作用,使热流迁移增强.提高固壁热导率和壁面粗糙度,换热均增强,对离心力影响可忽略.
针对航空关键动部件生产制造及验收试验中出现的提前失效问题,采用多种疲劳失效分析方法和工具,进行了疲劳试验出现失效的原因分析,从宏观和微观分析、金相分析、能谱分析及疲劳试验过程中的应力分析等方面对产生的缺陷进行了系统研究.了解了其疲劳开裂的原因,并对缺陷性质及零件制造工艺过程进行分析.结果表明:应力集中区是最容易出现开裂的位置,也是检测的关键部位,要进一步加强在制件及在役件的表面缺陷的检测,细化其检测实施方式及关键控制点,是保证动部件试验质量的关键.通过加强受力部位的无损检测,为及早发现和及时处理潜在的缺陷提供重要依据,从而降低关键动部件的试验失败的风险,提高产品试验质量及使用寿命,有助于其它机型更好地改进检测的设计要求及应用,为其提供了重要的依据和研究方向.
航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高精度建模和数值模拟面临极大的挑战.超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力.针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑.超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法.
航空发动机各部件在单独进行3维仿真时,其流道气动参数和部件性能参数与总体匹配设计值之间通常存在一定的偏差,为减小部件仿真与总体设计值之间的差异,将工程设计应用较为广泛的总体性能程序和各部件3维模型相结合,开展各部件3维模型在整机匹配约束条件下考虑部件之间相互影响的性能联合仿真,探索了多部件联合仿真方法,建立整机3维仿真架构,通过整机3维仿真获得了航空发动机多部件内部及部件间界面流动情况.仿真结果表明:主流道流场参数相比单部件3维仿真更加接近设计值,与设计值之间的偏差量不超过4%,满足工程应用要求.提出了整机匹配约束下航空发动机多部件3维性能仿真技术发展思路.
针对工程实际所出现的不对中现象,建立了一个转子支承不对中故障的通用模型.将任意形式的联轴器在径向刚度和角向刚度等效的前提下简化为1个等效模型,该模型与实际的总体径向刚度和角向刚度等效,依据实际联轴器刚度计算得到等效模型参数;根据等效联轴器模型推导出转子系统由于连接对角向位置的不均匀、连接刚度的差异性和非线性等不确定性因素所产生的不对中激励力,基于此建立含转子支承不对中故障的转子-支承耦合动力学模型.通过故障仿真分析得到转子支承不对中故障激励下的振动特征,通过数值仿真验证了平行不对中和角度不对中故障的2倍频和4倍频现象,以及由于角度不对中产生的1倍频轴向振动现象.利用含套齿联轴器的3支点转子故障模拟试验器进行了特征转速下多种不对中工况的振动响应试验,通过比较仿真结果的精度达到85%以上,表明所提出的转子支承不对中故障通用模型的正确有效性.
为探究某发动机棘轮离合器起动过程中棘爪断裂的原因,考虑了冲击载荷的动载荷系数影响,开展了棘爪受力分析、有限元仿真分析,以及棘爪静力试验和抗冲击试验等研究工作,获得了棘爪在静载荷和冲击载荷作用下的破坏模式和破坏载荷,确定了棘爪的强度储备.同时,在实测电机起动过程中发现了电流和扭矩变化规律:电流出现非常明显的突降和突升现象,电流从突降到突升的过程非常短暂,棘轮与棘爪瞬间高速碰撞,是起动过程中产生较大冲击载荷的根源.综合分析结果表明:起动电机在起动过程中因电流突降突升产生的较大冲击载荷超过了棘爪的实际承载能力,从而导致了棘爪的瞬时过载断裂.
在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置.历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进.通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展.用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证.基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议:提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计.
为提高航空发动机转子平衡精度及单元体装配独立性,对模拟转子平衡技术内在机理及模拟转子设计方法进行研究.采用数值模拟分析方法,基于低速硬支撑转子平衡测量及误差转位补偿原理,建立转子平衡过程的完整数学模型,分析平衡误差组成项,提取影响模拟转子平衡精度的参数.利用蒙特卡罗仿真及单因素试验方法、设计仿真算法,对误差项中的各参数进行仿真计算,得到各参数对平衡测量结果的影响规律及误差容限.结果表明:模拟转子可以再现由转子加工误差引入的附加不平衡量,其中模拟转子配合面端跳、柱跳、跨距、质心轴向位置、转动惯量、质量等参数均会影响附加不平衡量测量精度.各参数设计精度与测量精度正相关,但对测量精度影响权重不同.当配合面跳动小于0.005 mm,其余各参数精度控制在特定范围内时,测量误差近似为0,即模拟转子测量结果准确有效.
为了解决推力矢量战机存在的执行机构冗余和气动/矢量操纵面协调控制问题,基于过驱动控制理论及控制分配理论,提出一种基于基排序的操纵面调度管理分配算法.综合推力矢量飞机各型操纵面的物理特性差异、转矩可达集大小、推力矢量工作时间限制等因素,划分基控制组.采用优先级为主气动控制组、辅助气动控制组、推力矢量控制组的3级串接链分配构型,按指令幅值依序调度各级操纵面.结果表明:算法分配过程清晰灵活,飞行控制品质优良,对飞行任务与操纵面故障适应性强,可保证战机高效完成各项任务.相较于传统伪逆方案,新算法在典型"眼镜蛇"机动过程中,削减矢量偏转工作时长超50%,降低最大偏转角超3°.该算法可规避传统分配方法无差别调度气动/矢量操纵面的缺陷,优化推力矢量启用时间,有效解决飞机操纵能力扩展与矢量装置寿命平衡的矛盾.
为了实现在风扇机匣包容性试验中对叶片飞断转速的精确控制,开展了叶片飞断主动控制技术研究.提出了一种风扇叶片爆破切割飞断的方法,进行了风扇叶片榫头的装药结构设计以及应用爆破技术的可行性分析;设计了遥控起爆系统,确保了试验安全;根据静、动态双重验证的技术研究路线提出了详细的技术指标,使叶片飞出姿态满足试验器条件下包容性试验的技术要求.结果表明:采用风扇叶片爆破切割飞断的方法顺利完成了某大涵道比发动机叶片在风扇机匣包容性试验指定转速下的爆破飞断,叶片飞出的附加动能小于叶片飞失动能的0.05%,叶片飞断转速的控制精度在0.1%以内.验证了该项技术在试验器条件下完成风扇机匣包容性试验的有效性,并为整机包容性试验奠定了基础.
目前,针对跨声速压气机轴承腔封严泄漏的相关分析尚不充分,泄漏流与主流相互作用的形式尚存在争议.为解决该问题,基于某跨声速压气机与轴承泄漏腔模型,采用3维N-S方程组及k-ω湍流模型,边界条件与试验环境保持一致,对变工况下轴承腔封严泄漏流发展特性及其对压气机性能的影响机理进行了研究,重点分析了一种显著影响压气机主流稳定性的掺混涡结构.结果表明:当封严篦齿泄漏流进入右封严腔时,空腔效应会在篦齿出口区诱发大尺度回流涡,从而对齿端间隙泄漏流起到阻碍作用;当泄漏流量由0.72%进口流量增大至1.9%进口流量时,转子通道激波由约55%弦长位置移动至65%弦长位置.轴承腔泄漏流对压气机转子性能的不利影响主要在于转子通道激波后移以及2股掺混涡的产生.
为了解决某型涡桨发动机机械液压燃油调节系统供油量不足的问题,按照功能特点将燃油调节系统划分为供油执行、指令控制和飞行修正3个子系统,分析各子系统的工作原理并基于AMESim软件平台建立了其仿真模型.对各子系统模型进行集成,构建整机级燃油调节系统模型开展仿真,并根据实际试验测量数据进行验证.提出修改油窗几何参数以增大供油量的改进方案,对供油量曲线进行进一步仿真研究.结果表明:利用该模型得到的供油量曲线与实测供油量曲线相比误差小于3%;将油窗面积增大到原来的1.1765倍可以提高燃油调节系统的供油量,满足该型发动机的供油需求.仿真模型可供涡桨发动机机械液压燃油调节系统改进设计借鉴.
为了提升航空发动机高压转子维修单元体的装配质量,针对当前高压转子维修单元体跳动评价方法中普遍存在的沿程测量误差问题,通过分析维修单元体转子偏心量与组合转子偏心量之间的影响关系,同时避免复杂的空间坐标变换计算,建立了高压组合转子结合面偏心量快速预估模型,提出以支承轴颈处偏心量来评价高压转子维修单元体跳动的方法.采用该方法可快速预估组合转子中间结合面偏心量范围,也可对批量压气机转子和涡轮转子实施最优配对.结果表明:在满足高压组合转子跳动设计要求的前提下,改进后的跳动评价方法使高压转子维修单元体不合格率从最高约67%降低到约8%,有效提升了转子装配质量,提高了装配效率.该跳动评价方法对于航空发动机转子装配、组合转子配对以及连接质量评估等工作的开展具有较强的工程指导意义.
为了研究稳定热处理期间8Cr4Mo4V钢的组织转变及尺寸变化规律,采用热膨胀仪和差热分析仪测定经淬火和回火处理后的8Cr4Mo4V钢升温期间相变引起的尺寸及热流变化特征,分析了稳定热处理期间钢的相变特征,并采用扫描电镜观察了稳定处理后的微观组织.结果表明:在8Cr4Mo4V钢淬火后的回火升温期间,马氏体回火相变温度为132～243℃,残余奥氏体转变温度为215～303℃,马氏体分解为铁素体+碳化物的温度为278～420℃.随着稳定处理次数的增加,8Cr4Mo4V钢中的马氏体发生回火转变的温度及马氏体分解为铁素体+碳化物的温度逐渐升高,钢中亚稳相的稳定性增加.当进行3次稳定处理后,未检测到钢中发生马氏体回火相变,而马氏体分解为铁素体+碳化物的相变仍然存在.微观组织观察表明,随着稳定次数的增加,钢中析出的碳化物数量增多.
仿真技术是构建压气机数字孪生体的一种重要手段.为了满足数字孪生过程中准确性和实时性要求,给出了压气机数字孪生模型中的数值模型完备性分析,探索了一种将高性能计算与全环非定常模拟相结合的压气机孪生仿真技术.采用数值完备性定义某S弯进气道中涵道风扇的数字孪生体,从边界条件完备性与几何模型完备性方面分析了不同数值模型对涵道风扇数值孪生结果的影响;再结合现代高性能计算技术提出了一种压气机数字孪生过程中的高效计算技术,并针对某15级压气机开展了多级全环非定常模拟仿真计算.结果表明:满足压气机数值模型完备性要求是实现压气机数字孪生体准确性的前提,同时采用2层次计算模型的高效计算技术是获得压气机孪生模型的一种有效手段.
针对飞机维修手册中对空气涡轮起动机送修决策描述的不足,提出一种起动机送修及维护的定量决策方法.该方法依据某型发动机起动机的可靠性数据建立有效的可靠性统计模型,并以此为基础引入可靠度1阶导数概念制定符合本机队的空气涡轮起动机软时限;在进一步分析空气涡轮起动机维护成本的构成后,针对其中轴承失效所带来的高昂换修成本问题给出解决方案;从部件换修成本和延误成本角度出发建立期望损失模型,以经济最优为目标给出定量的起动机维护检查间隔;以某航空公司机队的起动机使用数据为例,计算起动机送修软时限和滑油检查间隔分别为26960和1915飞行小时.结果表明:该方法依据部件可靠性和维护成本数据能够制定适用于本机队的起动机软时限和维护检查间隔,具有一定的工程意义和使用价值.
为了研究接触、摩擦和预紧力等非线性因素对摩擦型螺栓连接动态载荷传递特性的影响,利用空气炮装置发射钛合金圆柱弹、钢球和冰球,开展了高速冲击试验,获得了冲击响应曲线.试验结果表明:金属弹体的撞击不能忽略弹体本身结构变形带来的影响,相较圆柱弹,球形弹冲击产生的冲击载荷峰值小,载荷传递率大;金属弹体撞击产生的冲击载荷波形杂乱且变化剧烈,螺栓连接的摩擦滑移导致的能量耗散使载荷传递率小于1,冰球撞击的载荷波形变化平缓,结合面的摩擦等非线性因素对载荷传递的影响较金属弹体冲击的情况小;加大拧紧力矩、增大结合面粗糙度会导致冲击刚度增大,冲击刚度基本不受外激励影响;减小拧紧力矩、结合面越光滑、加大冰球冲击能量会使载荷传递率降低;载荷传递率和损耗因子呈线性关系,当损耗因子小于0.59时,结合面处的摩擦耗散将使载荷传递率小于1.
