2:1内共振条件下变转速预变形叶片的非线性动力学响应

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲.另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形.本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为.考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成.应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性.运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在2:1内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应.详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在2:1内共振下对方程的影响.对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证.结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在2:1内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.

含鸟撞变形叶片的压气机气动性能数值模拟

为研究受到鸟撞前后压气机气动性能的变化,提出了鸟撞叶片结构-气动分析几何模型的转化流程,基于NASA Rotor37转子得到了鸟撞变形叶片几何模型,分别建立了鸟撞前后的全通道气动性能CFD计算分析模型,在设计转速下开展了全3维黏性流场数值模拟,并与Rotor37转子部件气动性能试验数据进行了对比分析。结果表明:模拟结果与试验结果非常接近,证明了该数值模拟方法有效;鸟撞后叶片变形区域攻角增大导致的局部气流分离及并发的气流低速流动的耦合是转子气动性能恶化与转子进入失稳工况的主要原因,含鸟撞变形叶片的转子压比、效率等气动性能参数明显降低,稳定工作边界明显缩小。所发展的气动性能数值模拟方法与流程可有效地预估含变形叶片的压气机稳态气动性能。

基于模型重构的变形叶片配准定位技术

叶片毛坯的精确定位是叶片数控加工的核心问题,为了提高叶片数控加工质量,保证叶片各处余量分配均匀,本文以叶片进排气边的自适应数控加工中的检测定位为研究对象,提出了一种基于模型重构的配准定位方法。该方法利用偏置模型的叶片测量方式提高了测量精度,对基于重构的测量模型进行变形与定位分析,得出较优的定位参数。通过仿真试验和对比分析,论证了本文方法的正确性。

叶片变形对涡轮增压器用离心压气机气动性能的影响及机理

为了研究叶片变形对涡轮增压器用离心压气机气动性能的影响,采用流固耦合方法计算设计转速下近喘振点、最高效率点和近阻塞点三个工况处的压气机性能。研究结果表明:叶片变形主要受离心载荷的影响,其影响占比为92.11%~97.22%,叶片最大变形发生在主叶片前缘叶顶处,叶轮最大应力发生在叶轮轴孔底部;从近阻塞点到近喘振点,气动载荷引起的叶片变形不断增大,约占叶片总变形的2.78%~7.89%;变形后压气机效率和压比分别提高0.3%和0.06%,阻塞流量有所减小;发现气动载荷导致的变形方向与离心载荷导致的变形方向相反,叶片变形主要通过改变叶顶间隙来影响离心压气机的气动性能。研究成果为离心压缩机气动及预变形设计优化提供了参考依据。

面向涡轮叶片变形测量的旋转适应性图像匹配方法研究

研究了超临界二氧化碳涡轮发电系统叶片在工作情况下的变形测量方法。对于叶片变形测量可采用三维数字图像相关法技术路线(3D-DIC),但是需要解决由于叶片切向变形和相机触发误差引起的区域旋转图像的匹配问题(2D-DIC部分)。针对旋转图像的匹配问题,采用了一种旋转适应性图像匹配方法,对于检测点的初值搜索采用基于ORB特征的初值匹配方法,对于检测点的亚像素匹配采用基于反向组合高斯牛顿法(IC-GN)亚像素匹配方法。最终利用旋转-应变图像进行仿真,应变测量精度达到2%,验证了图像匹配方法对于涡轮叶片变形测量的适应性。

偏航工况下风力机叶片动态挥舞变形实验

风力机叶片在运行过程中受多种载荷作用会产生变形,且偏航导致叶片的受力情况更加复杂。为探究偏航工况下叶片动态挥舞变形情况,文章利用数字图像相关技术(DIC)开展实验,寻找偏航角、风速、转速的变化对叶片动态挥舞变形的影响规律。实验结果表明:水平轴风力机叶片的动态挥舞变形呈正弦规律变化,风速越大,动态挥舞变形越大;转速越大,动态挥舞变形增大的同时,到达最大值所用时间也越短,经历的变化周期越多;偏航角的存在改变了叶片的受力情况,偏航角越大,动态挥舞变形有增大趋势,到达峰值所用时间越短,峰值位置提前,同时正向动态挥舞变形占比减少,负向动态挥舞变形占比增多,30°偏航角时最明显。

低温铣削航发叶片变形仿真及工艺参数优化

针对航发叶片铣削过程中因残余应力诱导变形问题,基于Deform与Abaqus完成叶片铣削模拟仿真,分析在残余应力作用下叶片整体变形量。将每齿进给量fz、主轴转速n、切深ap与射流温度T作为工艺参数,设计单因素控制方案和中心复合设计试验,研究射流温度单变量和工艺参数多变量对叶片变形量的影响。应用多元二次回归方法建立叶片变形预测模型,运用方差分析检验预测模型与试验数据的拟合值。以相对低的叶片变形量为优化目标,利用遗传算法获取最优工艺参数组。结果表明:单因素试验中,-180℃与20℃相比叶片变形量降低了35.66%,但叶片型面轮廓的余量超过允许范围(±0.05 mm)。故采用遗传算法对工艺参数进行优化,冷却温度区间为-196~-180℃,最大变形量为0.038 9 mm,满足叶片轮廓变形量误差要求。

采用双向流固耦合方法构建辅助气流作用下棉花叶片变形模型

气流辅助喷雾中,辅助气流能够使冠层叶片变形、拓宽雾滴输运通道,有助于提高雾滴在作物冠层内沉积均匀性。为进一步研究辅助气流作用下叶片变形机理,以棉花叶片为研究对象,首先,在测定叶片力学参数的基础上,建立了棉花叶片双向流固耦合模型,并利用高速摄像技术验证了模型的有效性;进一步,借助耦合模型,以辅助气流风速、叶倾角、叶柄及叶面弹性模量为试验因素,以叶柄和叶面挠度值为评价指标,开展正交试验分析,得出试验因素影响叶片变形的显著性顺序依次为:气流速度、弹性模量、叶倾角;最后,基于非线性最小二乘法构建棉花叶片变形的参数辨识模型,所建的叶柄挠曲线方程的平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)为5.13%,叶面主叶脉挠曲线方程的MAPE为10.43%,证明了叶片变形数学模型的有效性。依据建立的叶片变形模型,量化分析了不同风速与初始叶倾角参数组合下叶片迎风面积的动态变化过程,揭示了速度不恰当的辅助气流作用下冠层郁闭度增加的原因,明确了初始叶倾角为20°和30°时,棉花叶片的辅助气流末速度应分别不小于2.4和2.9m/s。本研究为理解辅助气流喷雾中作物冠层郁闭度的动态变化、合理选取施药工作参数提供参考。

部分负荷下混流式水轮机转轮叶片变形对流场的影响

将CFD流动分析软件与结构刚强度软件有机结合,对混流式转轮在不同工况下的流动进行分析。通过程序将流场参数加载到结构分析软件上,对变形后的叶片再次进行网格划分流场计算,并计算出混流式转轮叶片上的应力和变形,详细分析了转轮变形后的流场,达到了真正意义上的流固耦合。研究结果表明:最大应力发生在转轮叶片的出水边与上冠的连接处,应力集中较明显,易于发生疲劳破坏。产生最大变形的部位是转轮叶片的出水边与下环的连接处,且从上冠到下环变形量逐渐增大,即此部位就是叶片振动的敏感区域;转轮变形后对水轮机内部流场的影响表现在叶片进口边头部压力增大,叶片出口边靠下环处流速增大、压力下降,空化性能降低。变形后的流场使得尾水管内部的涡带产生、紊动加剧,说明叶片变形后对水轮机内部流场的影响是引起水轮机裂纹和振动的真正原因。

偏航工况下水平轴风力机叶片气动变形数值模拟研究

以非定常叶素动量方法和水平轴风力机结构动力学为基础,建立风力机气弹计算的仿真程序,将偏航模型耦合进气弹程序中,针对某5 MW水平轴风力机进行仿真计算,分析比较了该风力机在不同偏航角工况下叶片变形沿径向和周向的分布情况,总结了不同偏航工况对风力机叶片变形的影响规律。研究结果对风力机叶片设计和疲劳寿命的预测有一定的指导意义。

切削参数对汽轮机叶片精加工变形影响

叶片精加工过程中切削参数是影响叶片加工精度的关键因素之一。根据三轴数控机床的球头铣刀数学模型,建立了应用于五轴数控机床的球头铣刀加工汽轮机叶片的数学模型,获取了叶片加工过程中切削力的大小;在此基础上,采用数值模拟方法获取叶片在精加工过程中的变形量。通过极差和方差分析,探讨了主轴转速、进给速度、主轴转速和进给速度一级交互作用、切削深度对叶片变形的影响规律。研究表明:在精加工过程中,主轴转速、进给速度、主轴转速和进给速度的交互作用对叶片变形的影响比较显著;由于精加工过程中,进给速度较大,切削深度相对较小,切削深度对叶片变形影响并不显著。

飞机发动机叶片变形的非接触光学测量方法

针对飞机叶片表面变形量测量要求提出一种非接触式光学测量方法。对测量原理及测量方案进行了阐述,分析了误差来源,并估算了系统测量精度。该测量方法具有简便易行、操作方便、测量精度高等优点。

球头铣刀加工倾角对汽轮机叶片变形影响

球头铣刀加工汽轮机叶片时的加工倾角是影响叶片加工质量的关键因素之一。通过建立球头铣刀加工汽轮机叶片的数学模型,应用MATLAB软件的人机对话功能,编制了计算球头铣刀加工叶片时作用在叶片3个坐标方向上的力的图形界面。从而可以计算出作用在叶片法线方向的作用力,该力可以反映加工时叶片的变形情况。通过计算验证:当球头铣刀加工汽轮机叶片时的加工倾角为45°时,作用在叶片法线方向上的力最小,叶片变形最小。

基于逆向造型的汽轮机末级叶片加工变形研究

通过逆向工程技术对变截面大扭矩的汽轮机末级叶片进行数据采集,运用Imageware软件对采集的数据进行优化处理,在Pro/E软件中完成叶片的模型重构,逆向造型大大缩短了末级叶片的设计周期;并对汽轮机末级叶片的数控加工方法进行探讨,提出了螺旋走刀的加工方法,大大缩短了末级叶片的生产周期,在保证叶片精度的前提下降低了生产成本。初步分析了加工中的弹性变形,为提高汽轮机末级叶片的加工质量提供了一定的帮助。

涡轮叶片砂铸过程变形的计算机模拟及其机理分析

通过计算机模拟对涡轮叶片表面变形情况进行分析。结果表明,由于涡轮主体为回转体结构,仅涡轮主体的轴向收缩引起叶片的变形;另外,涡轮主体中间段的快速凝固,造成涡轮主体上、下段的定向收缩,对叶片变形也产生重要影响。

基于流固耦合的风力机叶片变形研究

文章利用ANSYS Workbench中的Fluid Flow(CFX)与Transient Structural平台对实木和环氧树脂材料叶片进行双向流固耦合数值模拟,分析了流固耦合作用下风力机叶片的变形情况和叶片变形对风力机尾迹流场和输出功率的影响。分析结果表明:在额定风速下,叶尖位置变形最大,实木材料叶片的最大变形量为18.72 mm,远大于环氧树脂材料叶片的最大变形量(4.88 mm),随着风速的增大实木材料叶片变形更明显;实木材料叶片风力机的尾迹叶尖涡涡量较大,尾迹速度扰动更加强烈,速度亏损也较多,风轮输出功率较大。

基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响。结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性增大;随风速和叶尖速比增大,叶片最大变形量对应呈增大和减小的趋势;随偏航角增大,叶根最大应力集中区域逐渐减小,叶片后缘应力逐渐减小。沿叶片展向,从叶根到叶尖,轴向速度逐渐增加,叶尖增大的程度较叶根大,随偏航角增大,叶尖位置的轴向速度增大的程度降低;涡量逐渐减小,随偏航角增大,对叶尖涡量影响较中心涡量大;湍动能总体呈先减小后增大的趋势,且当偏航角为5°~25°时在相对半径0.6R(R为风轮半径)位置处为最小,偏航30°在0.7R处为最小。

压气机变形叶片的网格生成及区域分解方法

针对压气机优化设计和多学科分析对网格自动可靠生成方法的需求,建立了一套集叶片几何参数化建模、多块结构化网格生成、区域自动分解、叶片自由变形于一体的多功能网格生成系统。基于椭圆型微分方程法和O_(4)H型拓扑结构,建立了压气机单叶道流域的三维分块结构化网格生成方法,改进了适合于变形叶片及网格的自由变形方法,自主开发了相应的计算程序,并用NASA Stage35对方法及程序进行了验证。结果表明网格生成质量较好,特别是近壁网格正交性和光滑性俱佳;改进的自由变形方法能够保持网格周期性和轮毂轮盖几何形状;流场计算结果与实验数据吻合良好。研究工作对发展多级高速轴流压气机优化设计和多学科分析系统具有重要参考价值。

航空发动机叶片加工变形分析与控制措施

航空发动机是飞机的动力之源,同时也是我国航空工业发展的重要基础。航空发动机复杂性极高,其所采用的高强度材料和极高的加工精度也给航空发动机的制造带来了不小的难题。航空发动机叶片是航空发动机中的重要组成部分,航空发动机叶片的加工精度直接影响着航空发动机的性能和工作的稳定性,然而由于航空发动机叶片所具有的复杂的空间结构和极高的几何精度给航空发动机叶片的机械加工制造带来了较大的难题,航空发动机叶片受加工变形影响使得航空发动机叶片的型面轮廓精度和表面质量极差,造成航空发动机叶片加工成品率下降。为提高航空发动机叶片加工质量,应当采取有效的措施消除机械加工中的残余应力,将航空发动机叶片变形控制在合理的范围内,提高航空发动机叶片的加工精度。

某航空发动机轴流叶轮叶片变形故障分析

某航空发动机在地面试验中出现效率下降且伴有啸叫声的异常现象。根据对所测振动、噪声信号的详细分析,成功判断出该发动机第一级轴流叶轮叶片发生变形。国内外对于发动机转子叶片发生变形故障时的噪声数据研究较少,通过对该发动机故障的详细分析,得到转子叶片发生变形故障时噪声频谱的特征,为转子叶片变形故障的准确判断提供依据。