【摘要】：內(nèi)部空氣系統(tǒng)是航空發(fā)動機(jī)中重要的功能系統(tǒng),擔(dān)負(fù)著冷卻熱端部件、封嚴(yán)腔室、平衡軸承軸向載荷等多項(xiàng)任務(wù)。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于過渡狀態(tài)或者緊急狀態(tài)時,主流參數(shù)和二次流參數(shù)很不穩(wěn)定,空氣系統(tǒng)內(nèi)部會經(jīng)歷復(fù)雜的瞬變流動過程。由于容積效應(yīng)、流體慣性、壓力波的傳播和反射等因素,空氣系統(tǒng)氣流參數(shù)的變化無法同步、復(fù)現(xiàn)擾動的變化規(guī)律,而是存在一定的延緩、滯后,甚至波動現(xiàn)象�？諝庀到y(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)現(xiàn)象的出現(xiàn)會給發(fā)動機(jī)的正常工作帶來一系列危害,如部件發(fā)生危險(xiǎn)的熱膨脹、主流燃?xì)馊肭�、軸承腔滑油泄漏等等。因此,空氣系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)問題逐漸成為現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)研究的前沿課題。本文開展了部件瞬態(tài)響應(yīng)特性、瞬態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和特性實(shí)驗(yàn)三方面的研究工作,對于準(zhǔn)確理解空氣系統(tǒng)瞬變流動物理過程具有重要意義,并且為空氣系統(tǒng)的優(yōu)化改型、精細(xì)化設(shè)計(jì)以及故障分析提供了理論支撐和指導(dǎo)。本文首先結(jié)合動態(tài)過程的基本概念,對空氣系統(tǒng)典型的瞬態(tài)響應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行分析,并根據(jù)氣體動力學(xué)理論知識,從外部擾動和系統(tǒng)本身物理特性兩個角度分析瞬態(tài)響應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,并引入滯后時間等四個參數(shù)用于定量描述空氣系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)過程。其次,分別采用集中參數(shù)法和特征線法,建立典型瞬態(tài)響應(yīng)元件(簡單結(jié)構(gòu)腔室、管道)的一維數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而開展特定結(jié)構(gòu)腔室和管道的瞬態(tài)特性計(jì)算;另外采用了非穩(wěn)態(tài)雷諾時均方法分別對直通式篦齒和臺階式篦齒的瞬變流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對篦齒內(nèi)部流場演化過程、特性參數(shù)時間響應(yīng)規(guī)律、關(guān)鍵影響因素等方面問題進(jìn)行了分析。然后,根據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)法的思想,通過理論推導(dǎo)獲得了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壓力殘量方程,進(jìn)而計(jì)算得到了某一氣相流路節(jié)點(diǎn)壓力、流量隨時間的變化曲線,并與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,以驗(yàn)證空氣系統(tǒng)瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)算法。最后,搭建了空氣系統(tǒng)瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺,考慮實(shí)際發(fā)動機(jī)腔室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)可行性,設(shè)計(jì)并加工了靜止腔和轉(zhuǎn)靜腔實(shí)驗(yàn)件,完成了供氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和閥門控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及設(shè)備儀器的選配,基于此實(shí)驗(yàn)臺開展了單元件、多元件瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)測試了實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口的擾動壓力和溫度、腔室實(shí)驗(yàn)件的動態(tài)壓力等數(shù)據(jù),并以此驗(yàn)證了一維腔室模型與非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。通過以上研究內(nèi)容,本文得到的主要結(jié)論有:(1)空氣系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要包括兩方面,一是外部擾動的作用,這是響應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的必要條件,如主流參數(shù)的快速變化;二是空氣系統(tǒng)或元件本身物理特性的影響,如容積效應(yīng)、流體慣性、流體壓縮性和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。提出的空氣系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性分析評價方法可用于對元件性能參數(shù)的時間響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行量化分析。(2)通過對盤腔、管道、篦齒的瞬態(tài)過程計(jì)算發(fā)現(xiàn):元件進(jìn)口壓力突然增加時,盤腔壓力、出口流量均逐漸升高,而進(jìn)口流量先迅速增加至最大值然后逐漸減小,最終達(dá)到穩(wěn)定值;管道進(jìn)出口流量先迅速增加至某一流量值,然后緩慢增加逐漸趨于穩(wěn)定;篦齒流量、齒腔壓力先經(jīng)歷一段振蕩過程然后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。算例結(jié)果表明,盤腔、管道和篦齒都對氣流擾動存在不同程度的延緩作用,其中盤腔的響應(yīng)時間最長,響應(yīng)時間為76ms,管道與臺階式篦齒的響應(yīng)時間相當(dāng),因此,空氣系統(tǒng)瞬態(tài)過程分析中有必要考慮某些篦齒瞬態(tài)特性的影響。(3)提出了空氣系統(tǒng)瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)算法。在進(jìn)行瞬態(tài)空氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立過程中,只將人為引入的虛擬節(jié)點(diǎn)作為內(nèi)節(jié)點(diǎn),而腔室作為響應(yīng)元件處理。通過分析損失元件流阻特性和響應(yīng)元件瞬態(tài)特性,獲得各類元件的截面流量關(guān)系式,進(jìn)而建立瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壓力殘量方程,通過迭代求解,最終計(jì)算得到不同時刻的空氣系統(tǒng)流量分配、壓力和溫度分布。(4)靜止腔瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)口擾動壓力越高,靜止腔的響應(yīng)時間越長;進(jìn)出氣位置對靜止腔瞬態(tài)響應(yīng)過程影響非常小;出氣面積越大,響應(yīng)過程越短。轉(zhuǎn)靜腔實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)口擾動壓力越高,響應(yīng)時間越小;轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速較低時對轉(zhuǎn)靜腔響應(yīng)過程幾乎沒有影響,當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加,響應(yīng)時間逐漸增大。多元件耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)口電磁閥突然打開,靜止腔上游測點(diǎn)壓力迅速增加很快達(dá)到穩(wěn)定,靜止腔、集氣罩、轉(zhuǎn)靜腔壓力逐漸升高,且響應(yīng)時間依次增大;流路各測點(diǎn)距離進(jìn)口壓力擾動位置越近,其滯后時間越短。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V231
【圖文】：

、可靠和高性能運(yùn)轉(zhuǎn)[1]�？諝庀到y(tǒng)的工作過程：通常從壓氣機(jī)的適當(dāng)位置抽取滿足參數(shù)要求（壓力、溫度和流量）的空氣，冷卻空氣按照設(shè)計(jì)流路的流動，經(jīng)發(fā)動機(jī)道內(nèi)、外側(cè)的一系列元件（如孔、管道、封嚴(yán)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)靜盤腔等）到達(dá)目標(biāo)結(jié)構(gòu)，工作后的空氣從確定的位置排入主流，或直接泄漏到機(jī)體外部[2,3]。圖 1-1 給出了典空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)的流路示意圖。

（8）為防冰系統(tǒng)提供熱空氣[7]，防止發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道前緣、壓氣機(jī)整流罩、第一級葉片等部位結(jié)冰，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障，如圖 1-2（d）。圖 1-2（d）給出了某型發(fā)動機(jī)進(jìn)口整流罩防冰系統(tǒng)示意圖。從高壓壓氣機(jī)引熱空發(fā)動機(jī)內(nèi)部通道或外部管道輸送至發(fā)動機(jī)進(jìn)口整流罩，熱空氣對整流罩表面加溫，該部位結(jié)冰。

3障可能引發(fā)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中某一處或多處的氣流狀態(tài)突然改變。圖 1-3 給出了一典型發(fā)動機(jī)試車循環(huán)過程中，某渦輪輪緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)進(jìn)出口氣流總溫的變化曲線[10]。發(fā)動機(jī)起動、加速和減速過程中，主軸轉(zhuǎn)速相應(yīng)的增大、減小，引起主流燃?xì)�、冷卻空氣的氣流參數(shù)不斷改變，其中主流燃?xì)鉁囟扰c轉(zhuǎn)速的變化趨勢一致，基本同步、復(fù)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的變化過程，而冷氣進(jìn)口總溫的變化與其存在明顯的差異，發(fā)動機(jī)起動、加減速過程中冷氣總溫的變化較為緩慢。作為輪緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口邊界，發(fā)動機(jī)過渡過程中冷卻空氣、主流燃?xì)獾臍饬鲾_動（流動參數(shù)變化）直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣流動狀態(tài)。圖 1-3 過渡狀態(tài)某渦輪輪緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)進(jìn)口氣流溫度圖 1-4 給出了某型發(fā)動機(jī)主軸斷裂時空氣系統(tǒng)壓氣機(jī)腔室的壓力變化[9]。當(dāng)軸斷裂的緊急狀況發(fā)生后，壓氣機(jī)與渦輪處于非匹配工作狀態(tài)，會直接導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速急速增加，最終引起空氣系統(tǒng)中上游壓氣機(jī)腔室內(nèi)壓力的持續(xù)波動，在 0~0.7s 內(nèi)

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