涡轮叶片裂纹方位角的三维叶尖间隙动态响应特性研究

针对叶尖定时故障诊断方法在检测叶片裂纹时仅关注一维信息、提取故障特征有限的不足,利用叶尖间隙具有三维特征的特点,提出了航空发动机涡轮叶-盘-轴耦合系统的三维叶尖间隙(3D-BTC)有限元模型。以该模型为基础,分析了航空发动机涡轮叶片裂纹方位角对三维叶尖间隙的影响规律。首先,建立了航空发动机涡轮叶-盘-轴耦合系统有限元模型;其次,在叶片尾缘处引入贯穿裂纹,通过瞬态动力学分析计算了在不同横滚角、俯仰角裂纹作用下叶片的变形;最后,采用三维叶尖间隙计算方法获取了叶片三维叶尖间隙时域波形及频谱,研究了航空发动机涡轮叶片裂纹方位角的三维叶尖间隙动态响应特性。计算结果表明:裂纹的出现会降低叶片刚度,从而影响叶片的三维叶尖间隙;叶片三维叶尖间隙随裂纹横滚角的增大而减小,随裂纹俯仰角的增大先减小后增大;随着裂纹两类方位角变化,不同测点位置的叶尖径向间隙基本谐波分量峰值变化率的差值最大为6.1%,周向滑移角和轴向偏转角基本谐波分量峰值变化率的差值小于0.12%,可见综合三维叶尖间隙能够更准确地反映裂纹信息。

基于叶尖间隙时频特征融合的转子碰摩诊断方法

以航空发动机与船舰燃气轮机为代表的高端透平机械在高效率,大机动飞行等工况要求下,内部结构趋于紧凑化和复杂化,使得内部转静子发生碰摩的概率也随之增加,由于其内部少测点、难监测,往往难以及时准确地发现碰摩故障。提出了一种叶尖间隙时频特征融合的转子碰摩故障诊断方法,首先通过叶尖振动-间隙复合传感器获取叶尖间隙(blade tip clearance,BTC)序列,然后通过机器学习算法评估BTC序列的异常性;若有异常警报,则对异常信号进行傅里叶分解并汇总各分量的时频能量谱;最后通过时频能量谱中的碰摩带判断故障的发生。试验结果表明,在对转子施加短时、持续碰摩两种工况后,机器学习模型能够实时诊断,且报警后所提方法能完整分辨出两种碰摩的发生,以及持续碰摩缓慢施加、快速结束的过程。通过与转子振动信号进行对比,表明该方法可通过机匣测点获取叶尖间隙并感知转子碰摩故障,实现了“一传多感”,为透平机械的状态监测和健康管理提供了新的方法。

机动载荷作用下航空发动机机匣结构对叶尖间隙的影响分析

针对机动载荷作用下航空发动机压气机叶尖间隙变化不均匀问题,开展了机动载荷作用下结构因素对叶尖径向间隙的影响研究。以小涵道比涡扇发动机为对象,建立计算模型,通过有限元数值模拟,得到航空发动机压气机机匣和中介机匣在机动载荷作用下对高压压气机叶尖间隙的影响规律。结果表明,采用双层机匣结构能够增加压气机的纵向刚度,减小压气机在法向过载和陀螺力矩作用下的椭圆变形和转静子偏心,使得叶尖间隙变化更为均匀。增加中介机匣的刚性,可以减小压气机内层机匣在法向过载作用下的非对称变形,从而改善压气机叶尖工作间隙特性。机匣结构对压气机叶尖间隙在机动载荷作用下的影响较为显著,通过对机匣结构的改进,可获得0.41%~0.64%的工作间隙减小收益。

涡轮叶尖间隙泄漏涡不稳定性分析

结合Rains间隙泄漏涡模型和长波不稳定性理论,应用高雷诺数k-ε湍流模型加壁面函数,基于压力修正的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮平面叶栅叶尖间隙流场进行仿真,通过将叶尖间隙泄漏涡与其在机匣表面镜像形成的虚拟泄漏涡组合成一对泄漏涡,对涡轮叶尖间隙泄漏涡的不稳定性进行了分析,并计算了五个不同叶尖间隙高度下泄漏涡的最不稳定的波长及对应的频率。结果表明,利用长波不稳定性理论可以预测叶尖泄漏涡的不稳定性和最不稳定的波长及对应的频率,从而为采用合成射流控制方法去控制涡轮叶尖泄漏涡提供理论基础。

间隙高度对某涡轮叶尖间隙泄漏流影响的研究

利用三维湍流数值模拟方法模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了转子叶尖间隙高度对涡轮转子间隙泄漏流动的影响,详细描述了间隙流动结构随间隙高度的变化情况。研究结果表明:随着间隙高度的增加,间隙泄漏流流量线性增加,并导致转子叶尖附近流体偏转角度减小。间隙高度每增加1%相对叶高,间隙泄漏流量占总流量的比例约增加2.1%。间隙高度变化对间隙内部流动的影响明显:当间隙比较小时,随着间隙高度的增加,分离泡的大小迅速增加,回流区域减小。随着间隙高度的增加,间隙泄漏涡尺度迅速增加,同时由于泄漏流中高速流体流量增加,通道涡远离叶片吸力面并向靠近机匣的方向移动,泄漏涡也向远离吸力面方向运动。

涡轮叶尖间隙泄漏流动主动控制数值模拟

结合基于压力修正的雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮转子采用叶尖间隙射流主动控制对泄漏流场的影响进行了数值模拟.结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.3%;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,满足奇点总数规律.

光纤传感器在叶尖间隙测量中的应用

介绍了叶片叶尖间隙测量的目的与意义,并分析了传统的测量方法的优缺点.在此基础上,采用了基于光纤传感的叶尖间隙测量技术对叶片叶尖的间隙进行非接触测量.该方法采用三组接收光纤的强度调制型光纤传感器接收叶尖表面的散射光,此传感器既可以消除光源波动、叶尖表面反射率变化对测量结果的影响,也可以大大减小叶尖表面不平度对测量结果的影响.

不同转速下叶尖间隙流对跨声速压气机失速的影响

为了研究不同换算转速下叶尖间隙流对转子失速的影响,对不同工况下叶尖间隙流动的特点进行了分析,讨论了压气机转子叶顶两个低速区的形成机理,以及该转子在多种换算转速下的失速机制。研究表明,转子失速是近压力面前缘和吸力面尾缘两个低速堵塞区共同作用的结果。二者的形成都与泄漏涡关系密切,前者是泄漏涡受激波干扰破裂而形成,后者是吸力面气流在泄漏流、吸力面二次流以及激波相互作用下而形成。不同换算转速下压气机失速机制不尽相同：在70%~100%换算转速,压气机叶顶失速主要是由于叶尖泄漏涡与激波相互作用而破裂;在115%换算转速,失速的主要触发因素为径向涡导致吸力面附面层低速气流向叶顶堆积。

转子对高压涡轮叶尖间隙变化规律的影响

基于涡轮叶尖间隙主动控制的需要,初步分析了涡轮叶尖间隙的变化机理,建立了机匣、叶片和转子的简化模型。在此基础上,分别仿真计算转速变化和发动机起动过程瞬态温度下转子的径向变化,讨论了转子在飞行器机动飞行情况下的振动幅值对叶尖间隙的影响。结果表明,转子振动幅值和径向位移对叶尖间隙变化有重要作用。

航空发动机涡轮叶尖间隙损失的统计设计

应用数值计算方法对发动机涡轮叶尖间隙引起的涡轮效率损失进行了分析,结合计算机辅助公差设计,提出了基于涡轮叶尖间隙损失的间隙尺寸和公差优化设计方法。以制造成本和涡轮效率损失最小为优化目标函数,采用Monte Carlo随机模拟法和基因遗传算法,分析计算了涡轮间隙尺寸公差和装配组成环的尺寸公差分配。

某型航空发动机高压涡轮叶尖间隙数值分析

为提高现代航空发动机的性能和可靠性 ,国内外许多研究机构都先后开展了叶尖间隙控制技术方面的研究 ,而进行叶尖间隙的数值分析是其中的重要内容之一。本文采用有限元数值分析法 ,结合某型发动机高压涡轮 ,分析了叶片、轮盘和机匣的热 -结构耦合变形及涡轮叶尖间隙的变化规律 ,得到了较为合理的计算结果。计算分析表明 :在发动机快速加、减速的情况下 ,叶尖间隙的变化较大 ;涡轮叶片的热响应最快 ,涡轮盘的热响应最慢 ;发动机在采用了控制机匣温度的方法后 ,叶尖间隙得到了有效的控制。

高负荷跨音压气机叶尖间隙流动的数值分析与比较

利用自行开发的叶轮机三维数值模拟软件对高负荷跨音压气机ATS-2转子进行了带叶尖间隙的三维流动数值模拟,并与实验的结果进行了比较。结果表明,数值模拟得到的流场结构与实验结果一致。对粘性与无粘结果的比较显示,由泄漏流所产生的激波后阻塞区是由激波-漏流干扰所致,粘性的作用将削弱其面积和强度。随叶尖间隙增大,激波后阻塞区的径向和轴向尺度增大,压比、效率和流量下降。

考虑主动间隙控制的涡轮叶尖间隙建模计算研究

建立了具有涡轮叶尖间隙计算功能的发动机实时模型并设计了主动间隙控制系统,以反映涡轮叶尖间隙控制对发动机动、静态性能的影响。提出以半无限平面瞬态热传导与多项式拟合相结合的方法,更准确计算发动机动态过程中变化的叶尖间隙;基于涡轮叶尖间隙的变化量和涡轮性能参数的关系实时修正当前涡轮性能参数,提高了常规发动机部件级模型的计算准确度,且涡轮叶尖间隙每减少0.25mm,涡轮效率提高1%,耗油率下降1%;在分析气冷式主动间隙控制系统的基础上,设计了一种可以控制叶尖间隙变化的机械式主动间隙控制系统,使动态过程中变化的叶尖间隙始终处于指令间隙。通过对发动机地面加速过渡过程和巡航减速过渡过程的仿真,验证了上述方案的有效性。

基于PLL载频跟踪的电容式叶尖间隙测量技术

针对电容调频式叶尖间隙测量中存在的杂散电容问题和叶尖间隙信号的在线检测需求,设计了基于锁相环(PLL)载频跟踪的测量方案.方案中PLL无差载频跟踪环路能够有效地抑制杂散电容造成的缓慢载频漂移;选择1,MHz的中频频率将信号带宽提高到200,kHz,并设计了峰值采集控制时序以提高系统测量效率;理论推导出并用实验数据验证了信号的非线性模型.模拟实验结果表明,测量系统灵敏度高,具备了高速在线检测能力.

采用平面叶栅模拟压气机动叶叶尖间隙流

通过对动叶叶尖进口端壁附面层的性状分析 ,指出采用平面叶栅模拟动叶叶尖间隙流端壁面静止(工况 1 )和仅有端壁面运动 (工况 2 )进口端壁附面层与真实情况的差异。根据转子静止静子转动这一相对运动思想设计出动叶叶尖间隙流实验模型 (工况 3)。对上述 3种工况叶片表面静压分布和叶尖间隙流进行了实验测量。实验表明 :工况 3比 2 ,1叶尖间隙泄漏涡生成得早且间隙泄漏流量较大 ;采用无粘叶尖间隙流计算模型 ,在叶片后面部分计算结果与实测值吻合较好 。

叶片叶尖间隙测量的光纤传感器

根据叶尖间隙测量的要求,设计了一种新型的光纤传感器。它采用了单光纤传光、多组光纤束接收散射光的结构。发射光纤位于中心,周围均布多组接收光纤。通过各组接收光纤光强的比值运算,消除了叶尖表面反射率变化对测量结果的影响,也可减小叶尖表面与传感器端面夹角给测量结果带来的影响。在转速同步传感器的配合下,该传感器可以实时测量所有叶片的叶尖间隙。当叶片转速在0-12000r/min之间变化时,叶尖间隙的测量范围为0-3mm,测量精度为25μm。

电涡流位移传感器测量模型及其在叶尖间隙测量中的空间滤波效应

基于电涡流位移传感器测量原理,建立叶尖间隙的有限元模型.根据涡轮发动机等旋转叶片设备叶尖间隙的结构特征与测量需要,建立了具有矢量特性的叶片点阵模型.分析叶片厚度、叶片转速、传感器敏感区大小、信号采样速率引起的空间滤波效应,以及对叶尖间隙测量结果的影响.研究结果表明,一定叶片厚度情况下,叶片转速、传感器敏感区、信号采样速率存在最低要求,这一结论可为叶尖间隙测量系统设计提供重要理论依据.

压气机转子三维流场计算中叶尖间隙网格的影响

对一带叶尖间隙的低速轴流压气机转子三维流场进行了数值模拟,通过与实验结果对比,分析了叶尖网格匹配、网格质量对压气机转子三维流场计算的影响,发现网格正交性和网格疏密过渡会影响二阶计算精度的收敛,研究还显示压升特性线不能准确的反映网格数目对计算结果的影响。

对转压气机叶尖间隙效应对其性能影响的研究

为了进一步了解对转压气机中不同转子叶尖间隙改变对其性能的影响,以对转压气机为对象,基于数值方法研究了该压气机不同转子对应的叶尖间隙效应及其性能的变化。结果表明:随着叶尖间隙的增加,压气机总压比和效率均有所下降;两排转子的峰值效率敏感度曲线与间隙大小均近似呈线性关系,且转子R2对应的峰值效率和喘振裕度随叶尖间隙的变化较R1更加敏感。该对转压气机存在最佳间隙组合,即转子R1和R2分别取叶尖间隙为1.0τ和0.5τ(τ代表设计间隙),此时的峰值效率和喘振裕度较设计间隙分别提高约0.62%和6.9%;转子叶尖间隙的增加会使得相应转子叶尖泄漏涡的起始位置后移,两排转子中一个转子叶尖间隙变化时会对另一个转子的叶尖流动产生影响,且转子R2叶尖间隙的增加对转子R1的影响更加显著;两排转子叶尖间隙的变化均会影响该对转压气机的最先失速级。

转子裂纹对叶尖间隙动态变化规律的影响

为指导叶尖间隙的动态测量和主动控制,建立了航空发动起涡轮转子缩减模型,在考虑转子部件所受热应力、离心力基础上,重点考虑了不同深度的裂纹发生在叶片和转子盘不同位置时对叶尖间隙的影响。结果表明:叶尖间隙变化范围随裂纹深度变大而变大;保持裂纹深度与叶片宽度比为0.5,分别取裂纹距离叶尖0.005,0.025和0.04m时,叶尖间隙变化范围较正常工况下最大偏移量分别为0.11,0.38和0.9mm;裂纹位于叶根时叶尖间隙的变化范围较均匀应力作用下叶尖间隙变化范围明显增大,且在发动机加、减速过程中的叶尖轨迹呈现明显不对称现象。