本文關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流激振動研究

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【摘要】：作為先進(jìn)超音速組合式發(fā)動機(ASCE)核心部件之一的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子是一種基于空氣動力學(xué)設(shè)計提出的獨特超音速高壓比壓縮轉(zhuǎn)子,它在具有高轉(zhuǎn)速、激波壓縮效率高、體積小、重量輕、生產(chǎn)和維護(hù)成本低等優(yōu)點的同時也給其研究帶來了許多關(guān)鍵性的技術(shù)難題,比如旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計、進(jìn)氣道流動損失、起動問題、進(jìn)氣道與轉(zhuǎn)子的流激耦合振動以及旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性等。本文以旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象,建立了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流動模型、旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)模型,研究了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道的超音速流動特性及激勵特性,進(jìn)而利用提出的流體-結(jié)構(gòu)耦合方法,分析了進(jìn)氣道超音速流動與旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子的耦合振動規(guī)律以及穩(wěn)定性,并通過旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的試驗進(jìn)行了相應(yīng)的驗證,這對指導(dǎo)旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道及軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的減振降噪具有重要的意義。針對旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道設(shè)計中存在的激波壓縮損失問題,提出了三種二元超音速內(nèi)壓式進(jìn)氣道的氣動設(shè)計方案,對比分析了三個方案的進(jìn)氣道設(shè)計及其性能的優(yōu)劣,進(jìn)而完成了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道的設(shè)計,建立了考慮高速旋轉(zhuǎn)科氏力影響的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流動模型,并通過理想無粘條件下旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道的流動分析,驗證了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道設(shè)計的可行性。所建立的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流動模型為旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流動及激勵特性研究提供了基礎(chǔ)。建立了考慮流動粘性與旋轉(zhuǎn)科氏力影響、帶抽吸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道超音速流動模型,開展了包括邊界層抽吸等在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流動控制研究,并進(jìn)一步分析了轉(zhuǎn)子渦動對進(jìn)氣道起動及性能的影響規(guī)律,以及進(jìn)氣道背壓脈動激勵作用下旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流場的激勵特性。研究發(fā)現(xiàn)選擇合理的抽吸方案或控制旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子的渦動幅值與進(jìn)氣道背壓脈動頻率、脈動幅值的大小均能保證進(jìn)氣道具有良好的流動性能和穩(wěn)定性。針對旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子渦動與進(jìn)氣道流動相互耦合這一流體力學(xué)與轉(zhuǎn)子動力學(xué)的耦合問題,提出了一種基于流體Navier-Stokes方程與結(jié)構(gòu)Timoshenko梁單元模型的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合算法,并利用該算法分析了不同時間尺度、耦合數(shù)據(jù)交換方式對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)耦合振動特性的影響規(guī)律,以及不同激勵作用下旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合振動特性的變化規(guī)律。同時,基于提出的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合算法,構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合振動分析平臺。所提出的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合算法與構(gòu)建的流激耦合振動分析平臺可用于旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計、振動和穩(wěn)定性分析。在旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合振動特性研究的基礎(chǔ)上,采用提出的流激耦合算法,分析了氣流激勵力、氣體軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)、燃燒室壓力脈動對氣體軸承-旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究表明旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子在采用氣體軸承支承的情況下,通過提高氣體軸承的供氣壓力或減小氣體軸承間隙以及控制燃燒室壓力脈動幅值大小均可實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)振動的有效控制,并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)建模研究,最終提出了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性及性能的試驗方法,建立了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道壓縮型線可調(diào)、導(dǎo)葉可調(diào)、頂隙可控的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子壓縮系統(tǒng)試驗臺,對旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子的固有頻率、轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的性能進(jìn)行了試驗驗證,為后續(xù)旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的性能、軸系以及整機設(shè)計優(yōu)化等提供了試驗依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK403
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本文編號：1172742