某型液体火箭发动机部分进气涡轮盘振动分析及改型设计

针对某液体火箭发动机部分进气自由叶片涡轮盘多次试车后在叶片型线根部和背弧出现疲劳裂纹的问题,采用三维弹塑性有限元法,考虑部分进气产生的Kick效应,计算了涡轮盘的静强度,得到了部分进气作用下叶片的静弯应力;考虑多场环境引起的预应力影响,计算了涡轮盘的模态,获得了涡轮盘固有频率和主振型;采用全环模型,计算了部分进气作用下涡轮盘的动态响应和动应力。在裂纹原因分析的基础上,对涡轮盘进行改型,在叶片顶部增加了围带,并对带围带涡轮盘进行了计算分析。结果表明:加围带后,涡轮盘叶片气流静应力下降了50%;气流力作用下的叶片动弯应力下降了65%;叶片之间以及叶片和轮盘之间耦合作用明显增强,涡轮盘固有振动模式发生转变,避免了叶片在共振频率附近发生的强迫振动;改型后显著降低了涡轮盘静应力及动弯应力,降低了出现裂纹的风险。

喷水量及喷水位置对部分进气轴向涡轮机性能影响特性

增加涡轮机入口温度有助于提升涡轮机性能,然而受限于材料的耐热强度,一般需采取额外的冷却措施。用于水下航行器的部分进气涡轮机具有短叶片及小尺寸的特点,使其难以设置复杂冷却结构。利用航行器外部海水作为冷却介质,采用射流冲击方式冷却涡轮盘及叶栅,通过数值仿真研究了不同喷水量和喷水位置下的涡轮机性能。研究结果表明:轴向喷水为0.2 kg/s时,轮盘前表面的最高温度降低40.1%,后表面的最高温度降低28.6%,轮盘的最大热应力降低33.8%;轴向喷水0.2 kg/s的同时加入径向喷水0.1 kg/s,轮盘前表面的最高温度降低46.2%,后表面的最高温度降低33.8%,轮盘的最大热应力降低36.7%;在相同径向喷水量下,涡轮机的效率以及轮盘前后表面的温度和热应力与轴向方向的冷却水量负相关。所得研究结果可为水下涡轮机的喷水冷却策略提供参考。

一种微型部分进气冲动式涡轮机设计方法

为弥补水下航行器微型部分进气冲动式涡轮机的设计缺陷,通过分析微型涡轮机的损失特性提出了一种微型水下涡轮机的设计方法,运用数值方法进行了方法合理性检验及变工况特性研究,并开展了实例设计。研究结果表明,所设计涡轮机的仿真内效率与设计值误差在3%以内;大背压下涡轮机叶栅和机匣能有效抑制喷管出口气流的分离;非设计转速下工质对叶栅的冲击损失会增大;通过调节喷管个数可满足较大范围内输出功率的需求。该方法可为微型部分进气冲动式涡轮机的优化设计和试验提供参考。

部分进气燃气涡轮机叶轮流场数值模拟

基于求解雷诺平均的NAVIER-STOKES方程组,对部分进气燃气涡轮机叶轮内部流场进行全3D粘性定常数值模拟,研究了涡轮机叶轮内部流场精细结构。研究结果表明,本文所使用的数值模拟方法能够较好地捕捉部分进气燃气涡轮机叶轮内部存在的各种复杂流动结构;叶轮进口燃气超音速,导致叶轮入口产生激波,激波与边界层干涉,造成边界层分离,引起流动损失增大,从而影响叶片的载荷分布和涡轮效率;叶轮通道内部流动呈强3D特性,存在各种旋涡结构;部分进气设计和叶轮高速旋转,使叶轮受到强烈的交变力冲击,对叶片应力分布产生不利影响。该方法为部分进气燃气涡轮机设计及工程应用提供参考。

部分进气超临界二氧化碳向心透平气动性能研究

基于给定的热力参数,设计了1台超临界二氧化碳向心透平,功率为75kW,部分进气度为0.3,并采用六面体结构化网格、有限体积法和RNGk-ε双方程湍流模型对该透平进行了详细的流场分析。结果表明,所设计的部分进气超临界二氧化碳向心透平输出功率达到73.25kW,效率为66.27%,基本满足设计要求。喷嘴及动叶流道的压力、温度及马赫数分布合理,表明设计方案可行。靠近喷嘴堵塞弧段壁面及动叶非进气弧段流动紊乱,旋涡多,熵增较大,存在明显的部分进气损失。

亚声速部分进气涡轮数值模拟及优化设计

基于SST湍流模型,通过求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对某亚声速、部分进气形式涡轮全流场进行三维粘性定常仿真计算。共计算了4种模型,分别包含不同的损失通道,获取了涡轮部件各通道的具体损失量值。计算结果表明:原涡轮叶片通道损失、泄漏损失、部分进气损失基本处于较低水平。涡轮进排气结构性能差,内部流动混乱,存在大量分离涡,对涡轮效率影响很大,具有较大提升空间。通过涡轮进气和排气结构的优化改进,采用切向进气和切向排气的变截面蜗壳形式结构,三维仿真结果表明:优化后涡轮部件效率从0. 675提高至0. 706,增加了4. 59%,且涡轮轴向尺寸大幅度缩减。

部分进气超临界二氧化碳透平非定常流动研究

超临界二氧化碳是微型动力循环中的重要工质,其较高的密度能够使透平机械结构紧凑。在部分进气工况下,可以通过增大向心透平叶高,在流量减小时减少其流动损失。基于1台部分进气度为0.3,功率为75kW级的超临界二氧化碳向心透平,在ANSYS-CFX中进行了详细的非定常流动特性分析。数值计算采用六面体网格、有限体积法及RNGk-ε湍流模型,在一个旋转周期内得到了不同时间步时整个流体域的流线、温度、压力以及单个叶片表面的压力分布,以说明部分进气工况的非定常流动特性,同时,计算了这一透平动叶受到的气流激振力并分析了其频率构成。研究成果能够为部分进气超临界二氧化碳透平的气动设计及强度分析提供依据。

两种阀门结构的部分进气涡轮在不同阀门开度下的性能研究

为满足日益严格的排放法规,可变截面涡轮增压器正广泛地应用于车用发动机,针对一种新型的部分进气可变截面涡轮增压器,采用数值研究方法对采用两种阀门结构的涡轮在阀门不同开度的性能及内部流场进行分析,掌握了在阀门小开度和大开度下两阀门结构涡轮的工作特性及内部流动损失的机理。

不同阀门结构在阀门小开度下对部分进气涡轮性能的影响

为了满足现在日益严格的排放法规,可变截面涡轮增压器正广泛的应用于车用发动机,针对一种新型的部分进气可变截面涡轮增压器,采用数值研究方法对采用不同阀门结构的涡轮在阀门小开度下的性能及内部流场进行分析,找出了两阀门结构在小开度下的流量调节能力的关系,掌握了两阀门结构涡轮流量相同时的涡轮工作特性和内部流动损失机理。

小型部分进气亚声速涡轮流动损失研究及优化

为拓展某小型部分进气亚声速涡轮的应用能力,要求进一步提高其气动性能。使用Numeca商用计算流体力学软件建立了原型部分进气涡轮流道的全环域网格,进行了流场的粘性数值仿真,通过与相同叶型全周进气式涡轮的流场对比分析,揭示了部分进气式涡轮的流动机理和流动损失分布规律。在流场结构研究的基础上,对原型涡轮的动叶进行了改型优化,将动叶叶型由原来的纯冲击式叶型改为略带反力度的叶型,流场仿真结果表明涡轮效率提高了5个百分点。通过对改型前后2种部分进气式涡轮气动参数分布情况的对比分析,表明略带反力度的动叶叶型能有效减小部分进气式涡轮非进气扇区动叶通道内的回流损失,对提高涡轮性能有利,可为同类涡轮的气动设计提供参考。

周向进气角对部分进气涡轮性能影响的数值研究

针对一种新型的部分进气可变截面涡轮增压器,采用数值研究方法对不同周向进气角涡轮的低速工况性能及内部流场进行了分析研究,掌握了部分进气涡轮的工作特性和内部流动损失机理,明确了周向进气角对涡轮效率和流量的影响程度,为实现增压器与不同类型发动机的匹配提供了依据。

高转速部分进气涡轮盘气流力及叶片振动响应研究

针对部分进气涡轮盘所受气流力在周向分布的严重不均匀易造成动叶片疲劳破坏的问题,从部分进气气流力特征和叶片振动响应两个方面进行了研究。根据已有数值模拟和实验结果给出了部分进气模式下考虑Kick效应的叶片所受气流力的分布曲线,采用快速傅里叶变换方法(FFT)分析了气流力的频谱特征,研究了转速和进气度等因素对气流力的频域特性的影响;采用有限元方法对某火箭发动机部分进气涡轮盘进行了瞬态振动响应分析,对比气流力的频谱特征,研究了叶片振动响应的特性。结果表明:在部分进气模式下,高转速涡轮盘叶片所受气流激励可以视为脉冲激励,存在多阶谐波分量;高转速或小进气度都会使得气流力的高阶谐波分量的幅值较大,使得涡轮盘叶片发生高倍频的共振或幅值较大的强迫振动,区别于全周进气的涡轮盘只需避开前6倍频气流力可能引起的共振,部分进气时还需考虑更高倍频气流力的影响。

低进气度部分进气涡轮气动设计与内部流动研究

本文针对低进气度涡轮进行了气动设计和流场分析。在设计中为保证导叶通道通流能力不受部分进气影响,按照导叶叶片数与导叶进气叶片通道数之比等于流量放大倍数的原则选定导叶叶片数。分析表明,所设计的低进气度涡轮膨胀比和出功等皆达到设计要求;部分进气遮蔽物的存在使得动叶进入或者离开非进气扇区时静压变化较大,且动量输运和质量输运使得动叶出口静压趋向均匀;相同进气度时进气扇区集中分布能够减少膨胀以及混合损失,因此可以认为相同进气度条件下单级部分进气涡轮进气扇区集中分布时涡轮效率高于进气扇区沿周向均布时涡轮的效率。

微型冲动式部分进气涡轮机的流场特性及气动损失

为研究微型冲动式部分进气涡轮机的流场及气动损失特性进而为水下航行器微型涡轮机设计提供参考,建立了2 k W级涡轮机的仿真模型并且通过与公开文献[2]实验结果进行对比验证了所建模型的可靠性,通过改变叶顶间隙、喷管出口与动叶间的轴向间隙、喷管扩张角、部分进气度的大小以及轮盘结构,研究了涡轮气动损失。结果表明:微型涡轮具有尺度效应,表现为喷管内声速点移至喉部下游,工作叶片表面的压力变化较为一致;随着上述几何参数的增大,涡轮内效率受叶顶间隙的影响最为明显,而轴向间隙的影响在一定范围内可以忽略,部分进气度为0.35时内效率上升趋于平稳,喷管扩张角为8°时的涡轮内效率高于6°和10°;无叶顶间隙时,除叶片之外的轮盘摩擦损失约为1%。

导叶展弦比对部分进气涡轮性能影响的数值研究

本文针对导叶展弦比对部分进气涡轮性能的影响进行了数值研究。结果表明:转子前缘靠近导叶吸力面边界处流动发生分离形成分离涡,使得损失增加;展弦比增加能增加进气区转子前缘靠近导叶吸力面处主流速度,进而降低分离涡强度并降低部分进气效应对进气区中心区域流动的影响,改善进气扇区中心区域流动,从而减少损失提升效率。与此相反,叶高、稠度不变时展弦比增加使得叶片数增加,叶型损失增加,且进气度越大,叶型损失增加量越大。当进气度小于50%时,进气扇区较小,展弦比增加诱发的分离涡强度降低的作用效果明显强于叶片数增加的影响,二者的综合作用使得涡轮效率得到提升;当进气度大于50%以后,分离涡对进气扇区中心区域的影响降低,分离涡强度的降低仅能改善进气区边界靠近导叶吸力面处的流动状态,但此时叶片数增加导致的叶型损失会显著增加,二者的综合作用导致涡轮效率提升的幅度降低。

空水共用涡轮机气动设计与数值仿真

跨介质航行器是一种具备远程快速打击、重复出入水以及高效突防能力的新概念航行器,而其中涡轮发动机在跨介质航行器不同航行阶段的工作参数差别很大。为解决水下、空中及起飞工况下的空水共用涡轮机的气动设计,结合损失模型的方法提出一种空水共用涡轮机设计方法,通过数值仿真方法验证气动设计方法的合理性以及起飞工况的可行性。研究结果表明:在不同工况下,数值仿真结果与一维气动设计结果的相对误差均在2%以内;使用数值损失分解方法进一步分析了涡轮机的各部分损失,发现叶型损失为空水共用涡轮机的主要损失;水下工况时流场内存在激波和分离涡,部分进气度很小,损失较大;空中工况则流动更为均匀,损失较小;起飞工况时涡轮机工作在非设计点,此时主要依靠水下喷管做功,空中喷管则会产生负功率。该方法可为空水共用涡轮机的优化设计和试验提供参考。

双通道蜗壳径流涡轮的设计与流动机理研究

低负荷下的扭矩对于小型发动机十分重要,其决定了汽车的驾驶性能。配有双通道蜗壳的涡轮已被证实在瞬态性能和气缸扫气方面具有极大优势。本研究通过数值方法,比较了不同部分进气条件下双通道径流涡轮的性能。设计了一个双通道径流涡轮,以达到某国外混流涡轮(带有可变喷嘴的涡轮A)的流通能力。借助软件ANSYS-CFX,采用稳态数值模拟方法来实现全部进气和部分进气条件下涡轮的性能预测。基于不同进气条件(叶根进气HI和叶尖进气SI)的性能比较结果进行流动机理分析。结果显示SI比HI具有更好的性能,且传递到叶轮的流动在通道内产生了完全不同的涡流结构。对于HI进气,产生于叶轮叶根处的涡流逐渐迁移到叶尖区域,而SI进气正好相反,这即是HI进气较SI进气具有更高流动损失和更差性能的原因。

自驾游全装备指南

长假来临,对平日忙碌的车友来说,长假意味着开着爱车,携亲带友, 在异域跃动的风景中品味合家之欢、天伦之乐。但面临着自驾游的诱惑,你真的准备好了吗?

摩托维修ABC(4)

(上接2020年第10期)4气路部分所谓“气路”,是指发动机工作过程中,气缸盖、气缸及燃烧室的密封,燃料进出的管路(含燃油箱盖、真空负压开关)等。一旦气路产生故障,发动机就会出现起动困难、加速性能变差、动力下降等一系列故障。尤其是发动机进气部分的密封件出现问题,当发动机进气冲程时,进气部分处于负压状态,外表无法观察,属于隐形故障,应引起维修人员的高度重视。

故障实例&检修

故障现象 一辆国产CB125T款摩托车已行驶4.6万多km,车主因未及时添加润滑油,使凸轮轴摩擦副等零件烧蚀。维修工将发动机主要零件作了全面检查。清洗机油泵滤网,更换曲轴箱润滑油和凸轮轴组件、进、排气门摇臂等受损零件.复装后试车发现怠速运转不稳定,1400 r/min工况维持不到10秒便熄火。维修工重新将油、气、电路全部认真仔细地复查了一遍,未见异常。