航空发动机高压涡轮转子叶片叶冠改型分析

以某型号航空发动机高压涡轮转子叶片为研究对象,对其叶冠进行改型分析.应用有限元软件建立模型,对比叶冠改型前后高压涡轮转子叶片的强度及振动特性.分析结果表明,叶冠改型前后高压涡轮转子叶片变形相差很小,叶冠改型后叶片静强度安全因数及抗振能力有较大提高,各阶固有频率均略有降低.由此可见,航空发动机高压涡轮转子叶片叶冠改型效果较好.     

航空发动机带冠涡轮叶片振动特性分析及验证

针对航空发动机带冠涡轮叶片振动特性分析时,将叶冠工作面一体等效的处理方式导致叶片频率计算精度降低的问题,开展了带冠涡轮叶片盘振动特性研究.提出了一种考虑变形和叶冠工作面实际接触面积的带冠涡轮叶片建模方法,以某型带冠涡轮叶片为对象,采用上述方法完成叶片建模和模态分析,并进行整机动应力测试试验验证,结果表明:采用该模型计算得到的叶片1阶共振频率与实测共振频率基本吻合,两者差异在7％以内.研究工作可为航空发动机带冠涡轮叶片振动设计提供参考.     

涡轮盘片多学科优化系统设计与实现研究

针对某型号发动机涡轮转子盘片结构,设计开发了涡轮盘片多学科设计优化系统;实现涡轮叶片、叶冠等部件的优化仿真集成以及优化模型的建立;设计并编写了各功能模块之间的数据存储结构与交换接口,保障了数据传递的准确性;并以涡轮叶片为例进行优化设计,验证了系统的可行性和可操作性。     

叶冠造型优化设计分析研究

通过对航空发动机的叶冠的功能及设计原理进行分析,总结出其中的不利影响,从而有针对性地进行叶冠造型优化,一方面通过减轻叶冠局部质量来降低叶片负荷,另一方面通过增加封严篦齿增加叶冠的接触面积。再通过建立叶片三维分析模型,分析优化前后叶冠的力学性能、接触状态等。结果表明:合理地减轻局部质量,可以有效降低叶冠局部的最大应力,改变叶冠与叶身相交倒圆R处的最大应力位置,避免在铸造薄弱区域出现应力集中;通过增加封严篦齿,降低叶冠接触面的应力水平,从而减轻磨损,提高叶片的可靠性。     

带冠涡轮叶片的振动特性分析

针对带冠涡轮叶片的振动特性分析,建立考虑叶冠圈连效应和叶片-轮盘耦合效应的三维有限元模型,对叶冠边界条件考虑叶冠工作面完全固接和叶冠工作面接触两种情况.简要介绍处理叶冠接触边界条件的方法.在对带冠涡轮叶片振动特性进行分析的同时,研究不同接触边界条件对振动特性的影响.结果表明, 单个叶片或整圈叶片分析模型均不能正确反映带冠涡轮叶片的振动特性,对带冠涡轮叶片进行振动分析必须考虑叶片-轮盘耦合效应和叶冠接触条件.考虑耦合效应和叶冠接触时叶片-轮盘系统的刚性降低,系统更易发生节径型振动;采用罚函数法处理叶冠的接触边界条件是一种简便有效的方法.     

带锯齿型叶冠涡轮叶片振动特性实验研究

为了研究锯齿型叶冠的振动特性,本文根据锯齿冠叶片的特点和试验条件,设计了夹持锯齿冠叶片的夹具,分别以单叶片、三叶片联装和多个叶片联装模型为实验模型,完成了带锯齿型叶片的瞬态激振试验和简谐激振试验。分析了不同边界条件下锯齿型叶冠的固有振动特性,以及在不同条件下的振动阻尼。最后,在分析试验结果的基础上,探讨了锯齿型叶冠对涡轮叶片振动特性的影响。     

涡轮叶片一维气动方案多学科优化设计

涡轮叶片设计过程中涉及气动、几何、结构、材料、强度、温度等多个学科,需要用多学科优化设计方法进行涡轮叶片的设计。本文应用iSIGHT软件和基于精化网格法的自编程序分别进行了涡轮叶片一维气动方案设计。通过对iSIGHT软件中不同算法的求解与对比分析,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计过程中的优化算法选择提供了参考。应用精化网格法编制的多级涡轮叶片优化设计程序,根据发动机总体提出的性能要求与约束条件,计算得到了多级涡轮热态子午流程通道以及涡轮叶片气动三角形等参数,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计提供了初始的设计点。     

基于UG的航空发动机涡轮叶片模态分析

基于UG软件对某型航空发动机涡轮叶片的振动特性进行了研究,建立了该叶片的实体模型,并利用UG结构分析模块进行了模态分析,得到了叶片的各阶固有频率和相应的振型.根据计算结果分析了涡轮叶片的振动特性,为该叶片的设计优化和振动安全性检验提供了数值依据.     

基于Solidworks平台的涡轮盘专用CAD/CAM系统开发

带冠整体涡轮盘具有高效率、高可靠性等许多优点，其流体通道属半封闭结构，叶片弯扭，叶盆和叶背均是自由曲面，难以加工制造。针对整体涡轮盘的电火花加工方法存在的问题，对Solidworks进行二次开发，建立了一套整体涡轮盘专用CAD／CAM系统，实现了计算机辅助涡轮盘三维重构、电极设计与制造、加工轨迹优化搜索和加工仿真等功能。通过典型零件的加工实例，验证了整体涡轮盘专用CAD／CAM系统的应用性能。     

轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计

对轴流式涡轮增压器涡轮叶片进行参数化建模,针对叶片设计提出一种基于多学科的优化方法,并建立一个优化平台.优化平台采用多学科优化设计工具iSIGHT集成NUMECA、ANSYS以及自编的离心应力分析程序,在气动、结构以及振动三个学科内对轴流式增压器涡轮叶片进行化设计.优化的实例表明,这种方法提高了增压器涡轮的整体性能,可以应用在叶片设计以及整个增压器的设计中.     

基于源项和贴体网格CFD的翼型冠涡轮叶栅气动性能预测对比

翼型冠是控制涡轮叶片叶顶泄漏流动的一种叶顶结构。在翼型冠涡轮叶栅气动性能的数值模拟中,为降低计算成本,本文采用了一种基于源项的CFD技术。该方法无需构建翼型冠真实几何结构和生成贴体网格,只需在叶顶附近构建源项域并采用均匀网格进行离散,随后在网格点上定义材料多孔度,并在控制方程中引入与多孔度有关的源项函数。采用基于源项的数值模拟方法,首先计算了某一翼型冠涡轮平面叶栅的气动流场,并分析均匀网格尺寸和湍流模型方程源项对计算结果的影响。然后,在翼型冠源项基础上,分别增加了密封齿和叶顶喷气源项,以研究源项法在有密封齿和有叶顶喷气翼型冠叶栅性能计算中的准确性。通过与基于贴体网格(即真实结构)的数值模拟结果相对比,发现源项法计算能够较准确地评估翼型冠、密封齿和叶顶喷气对涡轮叶栅气动性能的影响。此外,降低均匀网格尺寸能提高源项法的可靠性。研究有助于发展用于模拟包含任意复杂结构流动问题的计算方法,能为基于源项法的翼型冠叶顶结构优化提供快速准确的数值模拟工具。     

变壁厚涡轮冷却叶片参数化造型设计

提出了一种基于函数解析的变壁厚涡轮冷却叶片参数化设计方法。根据叶片外型线上定义的若干参数点,采用三次样条插值方法得到叶片壁面厚度分布函数,再通过计算得到冷却通道型线上离散数据点,在CAD平台下建立了变壁厚涡轮冷却叶片参数化模型。为实现涡轮冷却叶片的自动设计优化和多学科设计优化,获得更佳的叶片设计方案奠定了基础。     

有限元法在透平叶片振动研究中的应用

以透平叶片振动分析理论为基础,对实验室的等截面直叶片分别通过理论法和有限元法求解其前7阶的切向弯曲自振频率并加以比较。利用有限元法对叶片及顶部围带相互连接的叶片组在不同转速下进行模态分析,得到叶片及叶片组动力刚化效应振动模态数值分析结果,并对结果进行了分析比较。对于顶部围带不连接的叶片组,利用有限元法通过构造弹簧模型来处理顶部围带的接触问题,所得结果真实反映了汽轮机运行过程中围带的碰撞和叶片的振动情况。     

Integrated aero-structural optimization design of pre-bend wind turbine blades

In the optimization design of a pre-bend wind turbine blade, there is a coupling relationship between blade aerodynamic shape and structural layup. The evaluation index of a wind turbine blade not only shows on conventional ones, such as Annual energy production (AEP), cost, and quality, but also includes the size of the loads on the hub or tower. Hence, the design of pre-bend wind turbine blades is a true multi-objective engineering task. To make the integrative optimization design of the pre-bend blade, new methods for the blade’s pre-bend profile design and structural analysis for the blade sections were presented, under dangerous working conditions, and considering the fundamental control characteristics of the wind turbine, an integrated aerodynamic-structural design technique for pre-bend blades was developed based on the Multi-objective particle swarm optimization algorithm (MOPSO). By using the optimization method, a three-dimensional Pareto-optimal set, which can satisfy different matching requirements from overall design of a wind turbine, was obtained. The most suitable solution was chosen from the Pareto-optimal set and compared with the original 1.5 MW blade. The results show that the optimized blade have better performance in every aspect, which verifies the feasibility of this new method for the design of pre-bend wind turbine blades.

     

A study on an axial-type 2-D turbine blade shape for reducing the blade profile loss

Losses on the turbine consist of the mechanical loss, tip clearance loss, secondary flow loss and blade profile loss etc.,. More than 60 % of total losses on the turbine is generated by the two latter loss mechanisms. These losses are directly related with the reduction of turbine efficiency. In order to provide a new design methodology for reducing losses and increasing turbine efficiency, a two-dimensional axial-type turbine blade shape is modified by the optimization process with two-dimensional compressible flow analysis codes, which are validated by the experimental results on the VKI turbine blade. A turbine blade profile is selected at the mean radius of turbine rotor using on a heavy duty gas turbine, and optimized at the operating condition. Shape parameters, which are employed to change the blade shape, are applied as design variables in the optimization process. Aerodynamic, mechanical and geometric constraints are imposed to ensure that the optimized profile meets all engineering restrict conditions. The objective function is the pitchwise area averaged total pressure at the 30 % axial chord downstream from the trailing edge. 13 design variables are chosen for blade shape modification. A 10.8 % reduction of total pressure loss on the turbine rotor is achieved by this process, which is same as a more than 1 % total-to-total efficiency increase. The computed results are compared with those using 11 design variables, and show that optimized results depend heavily on the accuracy of blade design.     

基于位移场的涡轮叶片模具设计中的反变形技术研究

为了提高涡轮叶片的成形质量,减少模具的修模次数,提出了一种基于反变形原理的模具优化设计方法。通过使用ProCast软件对涡轮叶片进行铸造过程仿真,利用有限元模型计算涡轮叶片的精铸位移场,建立基于位移场的反变形方法,并使用该方法对模具进行优化设计,经涡轮叶片模具设计仿真试验验证,所采用的方法取得了良好的效果,可初步应用于模具的优化设计中。     

大型风力机叶片的耦合优化方法

为了降低兆瓦级风力机叶片的制造成本,通过耦合叶素动量理论与复合材料欧拉伯努利梁强度设计理论,综合考虑风能效率和成本,以叶片的风能效率成本最小化为优化目标,提出了大型风力发电机叶片的多学科优化设计方法。并基于该方法,对某50 m风力机叶片进行了优化设计。研究结果表明,该方法能够找到风能效率与成本的平衡设计点,叶片风能效率成本比传统设计方法设计的叶片减少了8.84%。     

基于位移场的涡轮叶片模具设计中的反变形技术研究

为了提高涡轮叶片的成形质量，减少模具的修模次数，提出了一种基于反变形原理的模具优化设计方法。通过使用ProCast软件对涡轮叶片进行铸造过程仿真，利用有限元模型计算涡轮叶片的精铸位移场，建立基于位移场的反变形方法，并使用该方法对模具进行优化设计，经涡轮叶片模具设计仿真试验验证，所采用的方法取得了良好的效果，可初步应用于模具的优化设计中。