旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流激振動(dòng)研究.pdf

1、作為先進(jìn)超音速組合式發(fā)動(dòng)機(jī)(ASCE)核心部件之一的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子是一種基于空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提出的獨(dú)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(diǎn)的同時(shí)也給其研究帶來(lái)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(jì)、進(jìn)氣道流動(dòng)損失、起動(dòng)問(wèn)題、進(jìn)氣道與轉(zhuǎn)子的流激耦合振動(dòng)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(duì)象，建立了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流動(dòng)模型、旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模

2、型，研究了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道的超音速流動(dòng)特性及激勵(lì)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(dòng)與旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子的耦合振動(dòng)規(guī)律以及穩(wěn)定性，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的試驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證，這對(duì)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(jì)，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(duì)旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道設(shè)計(jì)中存在的激波壓縮損失問(wèn)題，提出了三種二元超音速內(nèi)壓式進(jìn)氣道的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)比分析了三個(gè)方案的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)及其性能的優(yōu)

3、劣，進(jìn)而完成了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)，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(dòng)模型，并通過(guò)理想無(wú)粘條件下旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道的流動(dòng)分析，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的可行性。所建立的旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流動(dòng)模型為旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流動(dòng)及激勵(lì)特性研究提供了基礎(chǔ)。
　　建立了考慮流動(dòng)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(dòng)模型，開(kāi)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(dòng)控制研究，并進(jìn)一步分析了轉(zhuǎn)

4、子渦動(dòng)對(duì)進(jìn)氣道起動(dòng)及性能的影響規(guī)律，以及進(jìn)氣道背壓脈動(dòng)激勵(lì)作用下旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道流場(chǎng)的激勵(lì)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(dòng)幅值與進(jìn)氣道背壓脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)幅值的大小均能保證進(jìn)氣道具有良好的流動(dòng)性能和穩(wěn)定性。
　　針對(duì)旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子渦動(dòng)與進(jìn)氣道流動(dòng)相互耦合這一流體力學(xué)與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的耦合問(wèn)題，提出了一種基于流體Navier-Stokes方程與結(jié)構(gòu)Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ偷男D(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合算法，并利用該算

5、法分析了不同時(shí)間尺度、耦合數(shù)據(jù)交換方式對(duì)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)耦合振動(dòng)特性的影響規(guī)律，以及不同激勵(lì)作用下旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合振動(dòng)特性的變化規(guī)律。同時(shí)，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(dòng)分析平臺(tái)。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(dòng)分析平臺(tái)可用于旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、振動(dòng)和穩(wěn)定性分析。
　　在旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子流激耦合振動(dòng)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(lì)力、氣體軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

6、、燃燒室壓力脈動(dòng)對(duì)氣體軸承-旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)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(guò)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(dòng)幅值大小均可實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)沖壓轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)振動(dòng)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(jì)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(dòng)力學(xué)特性及性能的試驗(yàn)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