考虑多源信息耦合的高速涡轮泵转子动力学公理化设计方法

强耦合轴承、密封、平衡盘等部件的高速涡轮泵转子在设计过程需要处理不同领域的信息,如摩擦学、动力学、流体力学等学科的信息。为实现对这些多源信息的解耦和知识融合,提出基于公理设计的高速涡轮泵设计方法。该方法实现了对高速涡轮泵动力学设计的四层次功能需求域(Functional requirements,FRs)分解及其设计参数域(Design paramenters,DPs)映射,将14个DPs集成在5个物理部件(轴承、端面密封、推力轴承、平衡盘、转子)中,并由此发展了14×14的公理设计矩阵;由此矩阵获得了基于多源信息耦合的涡轮泵转子动力学设计顺序的流程图;对在该设计方法的指导中完成了对某涡轮泵转子的动力学设计,并对设计结果进行了评估。结果显示提出的基于公理设计方法优化了高速涡轮泵动力学设计过程和结果。     

基于模糊评价的薄壁件产品可制造性复杂程度实现

传统的设计过程偏重于强调产品的功能性,不能适应现代产品的快速设计及制造的迫切需求。针对这一问题,提出了考虑产品可制造性的产品智能设计模型,并结合薄壁圆筒件的冲压成型可制造过程构建了其决策分析方法。分析讨论了平面制件的结构要素与工艺决策、规则形状拉伸件的结构要素与工艺决策,拉伸力和压边力的计算等关键问题,以此发展了基于模糊数学理论的冲压工艺决策中存在的不确定因素分析模型;并以一类薄壁冲压零部件的可制造性分析作为一个分析实例,确定了每一制造因素评判标准的因素等级,得到了其隶属度的函数关系。     

水润滑螺旋槽端面密封的理论及试验研究

螺旋槽端面密封是液体火箭发动机涡轮泵用轴端密封的首选;考虑粘温、流体泄漏及热传导,建立了适合于内外双槽中间密封坝结构端面密封的理论分析模型,发展了螺旋槽密封膜厚控制方程和合适的边界条件;以此研究了密封特性参数(端面开启力、液膜刚度、摩擦力矩等)受不同运行参数(工作转速、压差等)和结构参数(槽深等)的影响规律.以水为密封介质,试验研究了处在不同压差和转速条件两类不同槽深的双螺旋槽端面密封的性能.理论和试验研究表明密封端面温升和摩擦力矩随转速和密封压差的增加而增加,槽深对温升和端面摩擦力矩影响不大;试验研究结果很好地验证了理论模型的正确性,为液体火箭发动机涡轮泵轴端密封的设计提供了理论和试验基础.     

气浮推力轴承支撑平台平衡机制及静特性分析

为消除或者减弱重力的影响,提出一类气浮推力轴承支撑平台方案,包括供气系统、控制系统、推力轴承、支撑平台,该平台通过调整推力轴承与平台之间间隙的气膜厚度可消减重力效应。构建该类气体推力轴承支撑方案的气体动力润滑耦合模型,包括气体分布与流速模型、压力分布与流量模型、可压缩气体的雷诺方程和气体压力与载荷关系。数值求解上述耦合模型,获得气体黏度系数、速度、平台载荷与轴承性能参数之间的关系。结果表明:在典型工况条件下,动力黏度系数越大,最小气膜厚度、流量和功耗随之增大;最小气膜厚度、流量和功耗也随速度的增大而增加;平台载荷的增加会导致气膜厚度和流量的降低。     

基于混合均质模型的气液两相流润滑动静压轴承性能分析

依据所建立的从全液体状态经混和介质状态,直至全气体状态的连续汽化流体属性模型,联合广义雷诺方程及全能量方程,从理论上对处在连续变化低温介质条件下的径向动静压轴承的静动特性进行研究。研究结果表明,由于两相流条件下的流体压缩性发生了极大变化,因而使得处在该条件下的轴承性能不再满足全液体或全气体介质润滑下的轴承性能规律。     

基于分形理论的骨支架微观形态建模

骨支架微观结构数学模型表达式的缺乏,制约着人工骨在数值仿真方面的研究和进展。文章基于分形数学理论和图像处理技术深入研究骨支架的微观形态,建立了骨支架多孔介质分形维数、孔隙率、渗透率和比表面积的数学模型;通过分形软件和图像处理试验计算医用异体骨的分形维数、孔隙率并根据密度法试验证明该方法行之有效,随之得出渗透率和比表面积数值。结果表明,基于分形理论的多孔介质数学模型可以应用于人工骨支架的数值分析研究,能够为人工骨多孔支架设计和多场耦合分析研究提供微观孔结构的理论指导,还可为骨支架多物理场耦合有限元分析提供基础参数解析表达式和广义有效弹性模量计算理论。     

水润滑动静压轴承三维压力及温度场分布理论研究

以4腔、毛细节流形式下的深腔动静压轴承为研究对象,采用有限差分数值方法求解了广义雷诺方程,该过程考虑了紊流、粘度和密度随压力及温度变化的影响。研究得到了在水介质润滑下的动静压轴承三维压力分布、温度场分布及动特性系数。结果表明在高速高压水润滑条件下的动静压轴承表现出了与粘度较大的油润滑条件下不同的液腔压力分布、温度分布等特性。水润滑轴承第3和第4个液腔压力较大,第1个液腔主要用来增加其稳定性,而同等条件下的油润滑轴承第2和第3个油腔压力较大,第4个液腔增加其稳定性。相比油润滑轴承,水润滑轴承温升较高,因此对于低粘度介质润滑下的轴承性能研究需要考虑温升影响。     

非接触机械密封的非线性动特性系数及瞬态振动响应分析

建立了考虑倾斜情况的弹性补偿单元支撑的非接触机械密封瞬态振动响应分析模型,该模型包括了瞬态Reynolds方程、运动方程以及二阶非线性动特性系数求解方程等。采用Euler法求解获得了非接触机械密封在轴向振动位移和静环倾角随时间变化时的瞬态振动响应特性。计算得到瞬态油膜力作用下的密封轴向力和倾覆力矩相关的14个动特性系数。结果表明：密封间隙内流体阻尼对密封副和摆动的影响是线性的;密封副瞬态振动影响油膜厚度分布,从而引起油膜压力分布发生变化,结果导致密封环发生摆动;密封副摆动同样也会引起密封轴向振动。     

油膜力和电磁力作用下发电机组非线性动力学模型及稳定性研究

针对汽轮发动机励磁绕组匝间短路会导致机组的振动加剧的现象,建立了油膜力和电磁力耦合的发电机组非线性振动响应求解模型及动态稳定性分析方法。模型中发展了一种改进打靶法的不平衡电磁力激励的滑动轴承支承的汽轮机转子系统周期解计算方法,并提出了考察不平衡激励周期解稳定程度的系统阻尼指标。通过对某型300 MW机组受非线性油膜力和电磁力耦合下的振动特性计算,分析了一类故障模式下的振动响应特性及其失稳程度。研究结果表明,在汽轮发动机励磁绕组匝间短路可能导致激发接近于系统一阶临界转速的低频涡动失稳现象;这将为由振动检测直接预知励磁绕组匝间短路故障提供技术支持和理论基础。     

螺旋槽端面密封脱开转速的理论及试验

提出螺旋槽端面密封脱开转速的理论分析模型,并建立适合于密封端面脱开后的内外双槽结构的非接触式端面密封数学模型。理论研究一种外螺旋槽和内人字槽组合的双螺旋槽端面密封的临界脱开转速,同时讨论该类非接触端面密封开启力、流量、摩擦力矩等随转速和密封间隙的变化规律。试验得到了直径100 mm、槽深3 μm的组合螺旋槽(外螺旋槽和内人字槽组合)端面密封在水介质(27 ℃)工况下的临界脱开转速,并将其与理论结果进行对比研究。研究结果表明,当密封转速超过约9 kr/min后,密封处在非接触状态,此时的密封泄漏量仅为1.2 mL/s。试验得到的端面密封脱开转速与理论结果一致(误差小于10%),从而有效地证实了端面脱开转速可作为对密封端面接触与否的判定依据。当密封转速高于脱开转速后,密封处在非接触状态,其工作寿命较长,泄漏量较小,这对于可重复使用火箭发动机涡轮泵端面密封的研制具有重要理论和试验参考价值。