高转速背景下涡轮分子泵的发展机遇与挑战

传统直叶片结构的涡轮分子泵在高转速的背景下面临着新的发展机遇与挑战,为了突破当前遇到的“涡轮分子泵的抽气速率随着涡轮转速增加到一定程度以后就不再增加,仿佛进入了一个饱和状态”的瓶颈问题,文章从分子气体动力学基本原理出发,采用蒙特卡洛方法,分析了涡轮转速提高以后给涡轮分子泵的抽气机制带来的新变化,发现了传统直叶片结构的抽气叶列和抽气模式与目前达到的高转速不匹配限制了抽速的提升,但高转速背景下又为其抽气性能的提升提供了可能。理论分析和研究发现在涡轮叶列中设置随叶片半径变化的扭转叶片是突破瓶颈的途径,论述了设置扭转叶片的根本原因,提出了高转速小角度的设计理念和新型扭转叶片的几何建模的方法,以期实现最佳叶列结构的设计与求解,为研制高转速下高性能、高适应性涡轮分子泵提供理论依据与技术支撑,也为将来涡轮分子泵的结构优化设计提供了一个方向。

桨叶分段线性扭转对降低旋翼振动载荷的作用分析

研究了用桨叶分段线性扭转来降低旋翼振动载荷。使用基于弹性梁的旋翼模型用于预测旋翼振动载荷。采用4片桨叶旋翼作为基准旋翼,桨叶形状与UH-60直升机桨叶相似。桨叶被划分为内、中、外3段,讨论了各段扭转对载荷的影响。低速时桨叶每一段的扭转都能减少桨毂四阶垂向力。当以80 km/h前飞时,中段-24°/R的扭转可使其降低99.5%。桨叶内段的扭转不利于降低桨毂四阶滚转和俯仰力矩,另外两段的扭转则可以在大多数前飞速度时控制这2个振动力矩。使用参数扫描以尽可能降低旋翼振动载荷。降低四阶垂向力方面,低速时桨叶所有段都需要扭转,而高速时未扭转的桨叶表现更好。降低四阶滚转和俯仰力矩方面,在低速时需要桨叶外段高度扭转,而在中高速时则需要桨叶中段的扭转。

基于LM方法的麻花钻刃带宽度测量研究

提出一种基于二值化的麻花钻刃带宽度检测方法。首先对目标边缘进行锐化,然后用巴特沃斯高通滤波提取边缘信息;其次通过改进的大津二值化算法对疑似边缘点进行阈值分割,获取边缘点坐标;再次使用列文伯格-马夸尔特(LM)方法对边缘附近的点进行拟合,得到刃带宽度曲线并求其拐点,求取麻花钻刃带宽度的数据。最后进行对比实验,用LM方法对未处理的M35直径2.5 cm的刃带图像进行处理得到刃带宽度1.467 mm,测量误差0.467 mm。改进后的测量结果为0.853 mm,测量误差为0.147 mm。

内置多叶扭带的碳化硅换热管强化传热特性研究

为了研究碳化硅换热管的流动和传热特性,达到增强综合换热能力的目的。采用数值模拟方法对内置4种不同结构扭带的换热管进行分析,确定四叶扭带模型作为后续研究对象,对比了在4种自定义的节距和宽度两种结构参数下,不同入口风速工况的换热管的热力性能。结果表明:扭带宽度对换热管的换热能力相较于节距具有更显著的强化作用,四叶扭带节距为360 mm、宽度为45 mm时换热管的综合换热能力最强,为1.59,此时换热管的努塞尔数相较光管提升了244.37%。

大型风力机新型弯扭耦合叶片结构特性分析

为研究新型弯扭耦合叶片结构性能,以NREL 5 MW风力机叶片为原型,应用NX Open Grip参数化语言建立叶片几何模型,并对其进行复合材料铺层设计,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法获得叶片气动力,将其映射至叶片有限元模型中,对叶片进行弯扭耦合特性、谐响应与强度分析。结果表明,叶片叶尖位移随腹板偏转角γ增加而增大;对于同一角度,γ>0叶片叶尖位移均小于γ<0叶片;γ为10°与15°叶片弯扭耦合效应最明显;较于传统叶片,弯扭耦合叶片2阶位移响应均有大幅下降;γ为15°叶片降低表面应力,具有良好的减载性能。

弯扭耦合长柔叶片颤振速度分析

针对弯扭耦合叶片的颤振速度进行研究,提出基于FAST_v8结合非线性几何精确梁理论评估叶片颤振速度的分析方法,基于典型截面失稳机理验证该分析方法的准确性。以某80.74 m叶片为研究对象,分析空气密度、叶片重心弦向位置、扭转频率、挥舞频率等参数变化对颤振速度的影响。结果表明,该80.47 m叶片颤振速度随空气密度增大而减小;质心前移可有效抑制经典颤振;提高扭转频率可提升叶片的稳定性;挥舞频率位于0.2~0.4 Hz之间时较合适。

戈壁石土壤葡萄埋藤装置设计与试验

针对含戈壁石土壤机械化葡萄埋藤越冬作业难度大、能耗高、理论研究少等难题,考虑含戈壁石土壤的葡萄埋藤农艺要求,设计了一种可在戈壁石土壤中葡萄埋藤的铰臂式锯齿形刀结构和葡萄埋藤机装置,并根据葡萄埋藤农艺要求,对埋藤装备关键部件进行参数设计和计算。考虑土壤的挖掘、摩擦、移动和抛出等影响因素建立了功耗算法,特点是土壤容重越大所需功耗也越大。通过确定含戈壁石土壤埋藤机所匹配的履带式拖拉机总功率,在戈壁石含率分别为19.73%和32.24%的两种实验区进行了埋藤覆土试验。在这两个实验区,埋藤覆土平均厚度的最大值分别为0.19m和0.21m,最小值分别为0.1m和0.097m,埋藤覆土宽度均为1.2m,满足吐鲁番地区含戈壁石土壤的葡萄埋藤农艺要求,可有效降低葡萄种植成本、减轻劳动强度、提高综合经济效益。

基于叶尖定时技术的非接触式叶片叶尖扭转角测试及应用

为了验证风扇转子叶片反扭设计的准确性及获取不同气动状态、不同转速条件下叶片扭转变形情况,建立叶片扭转应用理论模型,开发了基于叶尖定时技术的非接触式叶片叶尖扭转角测试技术,在发动机风扇转子叶片上开展了旋转状态下的叶片叶尖扭转角测试和仿真计算。结果表明:叶片叶尖扭转角变形理论计算值为1.5°,实测值为1.4°;采用统计分析方法计算稳态转速风扇转子叶片所有叶片叶尖扭转角最大标准偏差为0.1°,是因加工误差、装配误差、气流扰动和振动因素导致的;单个叶片叶尖扭转角最大标准偏差为0.01°,是因气流扰动和振动因素影响所导致的。该项测试技术成功地验证了叶型反扭设计,稳态转速风扇转子单个叶片叶尖扭转角小于所有叶片叶尖扭转角的离散度。

预扭反动式静叶关键参数研究与设计优化

为提高工业透平汽轮发电机组预扭反动式静叶片出图效率,文章利用空间解析几何建立预扭反动式静叶片切割面、阵列面和加厚面的空间平面方程,推导相关截面的关键参数的计算公式,并利用软件进行三维建模测量验证。该研究成果优化了设计步骤,简化了制图流程,实现了参数化快速出图。

阻尼结构对长扭叶片应力及振动频率的影响分析

针对不同阻尼结构对长扭叶片应力及振动频率影响的问题,对仅具有围带阻尼的模型1和具有围带、中间阻尼的模型2展开分析。首先,利用ANSYS软件进行叶片结构分析,得到不同转速下叶片的应力和阻尼结构接触面的正压力;然后通过Greenwood-Williamson接触模型将正压力转化为接触刚度,使用Matrix27单元模拟接触刚度,进行叶片模态分析。研究表明,叶片最大应力出现在叶型顶截面与围带交接处,模型1与模型2的最大应力比为1.34:1;模型1接触面的接触刚度比模型2小,其同阶次同节径振动频率比模型2低;通过坎贝尔图分析发现,模型1有3个共振转速,其中2阶7节径共振转速的避开率不满足要求;模型2有2个共振转速,避开率均满足要求。研究表明,与模型1相比,模型2的应力与振动频率更能满足设计要求。

一种风力发电机组叶片扭转变形监测方法的研究

分别在风电机组三支叶片内安装3支GPS定位天线,风电机组叶片叶尖前后缘分别对称安装1个,叶片叶根桨0°标定位置安装1个。经过叶片叶根GPS定位天线位置,并根据风电机组当前提供的桨距角,实时绘制出1条动态直线。叶尖对称安装的2个GPS定位天线,通过两点成为一条直线,实时绘制出1条动态直线。实时判断当前两条动态直线是否处于同一平面、两条动态直线投影到同一平面内的夹角,并实时传送给风电机组控制系统。一旦两条动态直线不处于同一平面,集合风电机组状态数据,判断当前是否处于扭转形变情况,并将判断结果实时传送至风电机组控制系统。风电机组控制系统一旦收到叶片扭转状态,启动安全保护控制策略,并根据两条动态直线的夹角变化,判断控制情况,保证及时减弱机组叶片扭转情况,从而保证叶片安全。

旋翼桨叶扭角的数字化柔性检测方法

旋翼桨叶扭角直接影响着桨叶的性能和使用寿命,而传统扭角检测多依赖于专用的工装和量具,检测方法柔性度低、检测效率低、重复精度低。针对此问题,提出了旋翼桨叶扭角的数字化柔性检测方法,设计并构建了旋翼桨叶扭角检测系统,实现了旋翼桨叶扭角的自动化检测,可在较大程度上提高检测效率和精度,满足不同类型桨叶的检测需求。提出了一种基于关键截面局部轮廓配准的扭角计算方法,利用激光扫描传感器采集旋翼桨叶表面点云,采用基于主成分分析(PCA)算法的粗配准和基于K维树改进的迭代最近点(KD-ICP)算法的精配准相结合的点云配准方式,准确、高效地计算了扭角数值,为旋翼桨叶扭角的计算提供了一种通用有效的计算方法。最后,以某类型旋翼桨叶为检测对象进行了实验,结果表明扭角检测最大误差为54″,重复精度为18″,验证了系统的有效性和准确性。

考虑大变形的柔性风电叶片气弹性分析

针对超长柔性风电叶片在传统线性(小变形)条件下发生动力学分析失效的问题,提出考虑大变形结构的柔性叶片模型并进行气动弹性分析。首先将叶片简化成非均匀悬臂梁,利用大变形Euler-Bernoulli梁模型进行离散化建模;后结合叶素动量理论,建立叶片的非线性结构动力学方程,并运用Newton-Raphson和逐步积分相结合的方式进行时域仿真。整个过程重点考虑大变形结构的刚度变化、以及柔性叶片截面扭转运动和外形变化。以DTU 10 MW风力机为算例,比较叶片在大变形和小变形结构下的动态气动特性,结果表明:动态响应中,大变形结构的刚度变化导致挥舞方向的叶尖位移明显增加,略微减小摆振方向的位移,同时叶尖扭角也会显著减小。此外,叶根面外载荷在大变形条件下会显著下降,但叶根面内载荷则会略微增加。这与传统线性条件下的气弹现象具有明显差异。该文的叶片模型能有效预测长柔叶片的动态气动特性。

压气机静叶扇形段制造工艺对气动性能的影响

航空发动机高压压气机静子叶片扇形段通常采用机械加工的制造工艺。为降低成本、缩短制造周期,先进航空发动机型号中应用了钣金钎焊的制造工艺批量生产高压压气机静子叶片扇形段。采用钣金钎焊的制造工艺,叶型和流道的几何特征与设计目标存在一定的偏差,影响了气动性能。以高负荷十级轴流压气机出口级为研究对象,提出了钣金钎焊制造工艺对气动性能影响的评估方法,评估了钣金钎焊制造工艺对高压压气机性能的影响。结果表明,钣金钎焊制造工艺使得该型压气机流量偏小约1.41%,峰值效率偏低0.41%,其中叶型轮廓度增大是造成性能恶化的主要原因。随叶片轮廓度增大,各级特性都呈现出匹配点压比降低,峰值效率减小的趋势;静叶轮廓度变化对下游转子性能影响较小,压气机性能变化主要是由于静子段损失发生变化导致。

液环泵叶片形状对叶轮进口回流及其外特性的影响

为减小液环泵叶片进口回流及冲击,基于非稳态气液两相流数值模拟方法,分别从叶片进口扭曲设计及叶片型线2个方面分析叶片形状对液环泵进口回流结构及其外特性的影响规律.研究结果表明:液环泵进口扭曲叶片设计能够有效抑制进口冲击引起的脱流,但叶片进口扭曲引起叶轮流道位置相对后移,吸气口始端叶轮流道内气液界面运动引起的相对体积扩充率降低,叶轮进口回流现象加剧;由于流道周向不对称,吸气区叶轮流道在进口产生真空的能力各不相同,由气液分界面运动引起的相对体积扩充率能够清楚地解释叶轮进口压力分布特性及回流结构;在叶片进口扭曲的基础上,控制叶片非吸入侧前弯能够有效提升吸气口始端流道的相对体积扩充率,θ=6°的进口扭曲叶型非吸入侧前弯设计叶片使得液环泵进口回流强度得到进一步的抑制,泵效率从15.46%提升至16.20%;叶型包角对进口真空度及进口回流强度的影响显著大于叶片出口安放角,增大叶型包角能够使吸气口始端叶轮流道沿旋转方向前移,增大流道内相对体积扩充率,降低回流强度,进而提高液环泵的真空度以及效率.

大型风力机叶片腹板偏置对弯扭耦合特性研究

为研究大型风力机叶片内部腹板结构偏转对叶片弯扭耦合特性的影响,基于NX二次开发建立NREL 5 MW叶片CAD模型,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法求解叶片表面的分布载荷,采用节点位移法求解叶片弯曲角及扭转角,分析腹板偏置对叶片弯扭耦合效应的影响。结果表明,偏置腹板可使叶片产生自适应特性;在气动载荷作用下,弯曲角与扭转角均沿叶展逐渐增大,于叶尖达到幅值;正向偏置时,叶片扭转角与偏转幅度呈负相关,反向偏置与之相反;正偏置结构耦合叶片弯扭耦合系数随偏转角增大呈递减趋势,反偏置叶片均大于传统叶片。

主梁腹板偏置及复合材料铺层的大型风力机叶片结构性能分析

为研究大型风力机叶片内部结构偏转及表面偏轴蒙皮纤维共同作用下的叶片结构性能,基于NX二次开发建立NREL5MW叶片CAD模型,通过CFD方法求解叶片气动载荷,结合有限元方法对其进行模态、静力学及屈曲稳定性计算。结果表明:各叶片一阶固有频率均有下降,腹板偏转角θ对叶片模态影响高于纤维偏转角α;在气动载荷作用下,叶尖最大形变量均大于传统叶片;叶片最大应力位于近叶根最大弦长处,叶片表面应力随偏转腹板角θ增加而增大,且θ>0叶片均大于θ<0叶片;θ<0叶片易屈曲失稳区域于前段气动区,而θ<0位于近叶根区靠近前缘处,同一偏转角度下,θ<0叶片一阶屈曲因子均大于θ>0叶片,抗屈曲能力较好;综合分析,θ=-15°,α=15°叶片模态降幅小,屈曲因子增幅及表面应力降幅较为显著,降低叶片结构应力效果良好。

扭转度误差对跨声速压气机叶片性能的影响

在压气机叶片加工过程中,受切削力等因素影响扭转变形不可避免。为探究扭转度误差对叶片气动性能的影响,将实测某压气机叶片扭转度误差数据应用于Rotor 37转子,创建误差叶片,通过数值模拟获得其设计转速下的性能参数。结果表明:相较于原叶片,“欠偏转”叶片特性曲线整体向小流量工况移动,反之,“过偏转”叶片特性曲线则向大流量工况移动,且各方案对应误差叶片的气动性能均合格;在设计工况下,随扭转度误差变化,总压比较等熵效率变化更显著,其中“欠偏转”叶片总压比减小,最大变化量为0.85%;此外,相较于原叶片,“欠偏转”叶片稳定工作裕度增大,其最大变化量可达12.29%,同时,“欠偏转”叶片通道激波延后,流动损失减小,且叶顶低速区范围减小,即在公差范围内,负扭转度误差对气流流动状态具有一定改善作用。

空间大扭曲叶片拔模路径优化及验证

分体或整体式砂芯铸造是目前大功率液力变矩器叶轮的主要生产方式,整体式砂芯铸造精度高,但需要叶片能够在砂芯成型后拔出.传统的方法为不断进行样件试制和试拔,研发周期长,同时也增加了成本,文章针对整体式砂芯铸造工艺中空间大扭曲叶片拔模问题开展数学建模和样件试验研究,将复杂三维叶片拔模问题简化为空间三维实体无碰撞通过约束空间的数学模型,利用UG/Grip二次开发实现叶片与约束空间的干涉碰撞检测,结合遗传优化算法,以最小干涉体积为优化目标进行叶片拔模性分析,构建空间大扭曲叶片拔模性判别及拔模路径计算模型.通过UG与MATLAB的联合仿真,实现了空间复杂三维叶片拔模性分析及拔模路径计算,研制了相应样件并进行了验证,实现了大扭曲叶片的可制造性评价,成果可为其它需要整体铸造的复杂大扭曲空间实体可制造性分析提供有效技术途径.

基于数值模拟的阻力转子风力发电机叶片近流场特性分析

为了提高阻力转子风力发电机的自启动性能和风能利用率,构建扭转角度为90°扭曲叶片,并基于非定常雷诺平均N-S模型和k-ωSST湍流模型,对扭曲叶片自启动到稳态运行过程进行了数值模拟,评估风力机近流场特征对转子性能影响。结果表明:扭转角度为90°扭曲叶片可以适应不同来流方向,这种翼型不仅提高了不同环境的适用性,而且还提高了自启动能力;同时,扭曲翼型可以有效防止流体从前向叶片和回流叶片的凹侧尖端逸出,有利于保持叶片凹凸两侧的压力差,并相应地增加能量转换;在回流叶片和前向叶片的叶尾均发现涡流,这种周期性的涡旋脱落易导致转子结构的振荡,诱发结构的疲劳失效。研究结论可为扭转式叶片的阻力转子风机研发提供有益的帮助。