涡轮转子起动温升曲线优化及试验研究

涡轮转子在快速起动的过程中会产生较大的热应力,影响转子的热疲劳寿命。结合遗传算法与转子结构热分析,提出发动机起动温升控制曲线非单调参数化,对涡轮转子快速起动过程中的温升控制曲线进行优化设计。优化过程以转子最大热应力为目标函数,计算搜索最优解,并研究温升控制曲线对转子最大热应力的影响。结果显示,优化后的发动机快速起动温升控制曲线可以有效地降低转子的最大热应力和缩短快速起动时间。同时,为了验证提出的涡轮转子快速起动温升曲线优化设计方法的有效性,搭建转子热冲击应力测试试验台,通过对比优化前后温升曲线下的转子最大热应力,验证了理论分析结果。提出的优化设计方法可以为发动机设计初期的快速起动控制方案设计提供一定借鉴。     

基于ANSYS的有限元参数化设计理论

本文利用有限元分析软件ANSYS,将参数化设计的思想融入有限元结构分析,实现了有限元建模和分析参数化,这种方法极大地减轻了有限元分析的工作量,提高了工作效率.将参数化设计与有限元结构分析相结合,实现结构参数调整,自动生成分析模型并完成有限元结构分析.可极大地优化产品结构,缩减产品设计周期,提高产品质量.     

APDL环境下的参数化有限元分析

针对ANSYS有限元软件分析过程的复杂、费时等问题,需要借助参数化设计的思想来优化产品结构,缩短设计周期.对三种参数化有限元的实现方法进行了分析、比较,选定了基于APDL的参数化有限元分析方法,并用C Builder对ANSYS参数化分析过程全封装,最后用实例给出了具体的实现过程.     

嵌入式旋合结构涡轮封严盘装配工艺研究

嵌入式旋合结构涡轮封严盘有利于减轻涡轮转子质量,提高涡轮盘强度及涡轮转子的可靠性,但其装配工艺较为复杂。通过对嵌入式旋合结构涡轮封严盘的结构特点及连接过程进行分析,基于装配需求将其安装过程划分为嵌入旋合及轴向压紧2个阶段,按阶段确立了控制要点及工艺参数,设计了装配方案。经有限元法计算验证,该装配方案的仿真结果满足装配需求,可指导类似结构封严盘装配工艺设计。     

小型高速精密气浮气动主轴的研制

针对微结构的超精密磨削要求,设计了一种涡轮驱动的小型气浮主轴。采用了涡轮叶片作为动力结构部分,由压力气体驱动,带动主轴高速旋转;同时也采用了空气静压轴承作为支撑;建立了气动涡轮的设计模型,分析了气体静压支承轴承的结构参数,仿真研究了各设计参数对轴承承载力的影响,得出了最佳的设计尺寸和主轴工作参数,对涡轮与转轴组成的整体转子进行了模态分析,计算出了主轴的临界转速,研究了主轴的加工工艺。试验结果表明:该设计合理,达到了设计要求。     

某涡轮盘应力计算及优化设计分析

本文以某涡轮盘为模型,利用有限元分析的方法,对几种高温合金材料的涡轮盘进行了应力计算分析。利用AN-SYS参数化语言APDL编写了计算分析涡轮盘剖面参数化成形、应力分析及涡轮盘优化程序。采用一阶优化方法对涡轮盘进行了结构优化设计计算分析,实现了涡轮盘结构的参数化建模和优化设计一体化。试验结果表明改进后的涡轮盘结构合理可靠。     

涡轮叶片和盘结构有限元建模及热力耦合分析

在分析涡轮叶片冷气通道几何结构的基础上,提出其建模方法,提取了关键造型参数,设计了参数化建模流程,使用UG/Open API编程,在UG平台上开发了相应的模块,实现了冷气通道的快速建模和参数化修改。与原有设计方式相比提高了设计效率,同时也为复杂曲面特征的参数化设计提供了借鉴。研究有助于提高叶片零件的研发和设计效率。     

基于等厚涡轮盘结构的可靠性研究

利用有限元软件对转子进行可靠性分析时,转子的结构以及其他设计参数都是以确定量来进行分析的,不能实现所有参数的随机性分析.以弹性力学为基础,从转子的微元体出发,推导出同时考虑离心力和温度场对转子系统影响的等厚度轮盘任意一点的应力计算式和实际工程常用的变厚度轮盘任意一点的应力计算式.以传统的应力-强度干涉模型为基础,考虑转子随机结构尺寸、温度应力、转速和材料强度等参数的随机性,利用积分随机有限元方法对转子进行可靠性分析,该方法利用确定性有限元实现了随机分析,计算精度较高,实现了转子系统随机结构的可靠性分析.     

涡轮泵流体静压轴承设计及性能特性分析

针对流体静压轴承在液体火箭发动机涡轮泵中的设计和应用,以现有的滚动轴承支承的涡轮泵转子为应用对象,提出流体静压轴承的参数设计思路,采用粒子群优化算法设计得到支承刚度最大化的轴承结构参数组合,并计算分析所设计轴承的性能以及轴承-转子系统的动力学特性。分析表明：优化设计得到流体静压轴承的承载力和支承刚度可以满足要求,但轴承总流量达泵流量的21%,这会显著降低涡轮泵的总体效率;仅将滚动轴承改为流体静压轴承,而不改变其他结构或布局,转子的稳定性不能满足要求;涡轮泵流体静压轴承转子系统设计时应尽量将轴承布置在转子位移较大的位置,以充分发挥其阻尼作用。     

轴流式涡轮发电机的转速分析

针对轴流式专用涡轮发电机转子转速分析。提出一种新的设计思路;在涡轮转子叶栅结构满足无冲击流动的基础之上,分析了涡轮发电机转动力矩、转速与排量之间的关系。为轴流式涡轮发电机的性能预测和结构优化设计提供了依据。     

对转涡轮低压转子叶片的流固耦合数值分析

采用对转涡轮设计能提高航空涡轮发动机性能,其中无导叶方案是发展趋势之一。在无导叶对转涡轮中,低压转子叶片受到较大的高压转子出口气流激励。基于ANSYS/CFX软件,采用流固耦合数值分析方法对低压涡轮转子叶片进行了分析,得到了高压涡轮转子叶片尾流作用下的低压涡轮转子叶片振动的应力和变形变化规律。叶片温度对振动应力和位移的平均值、幅值和周期的影响较大,叶片材料密度对振动周期产生明显的影响,高低压转叶轴向间距的选择应兼顾涡轮效率等因素。     

基于UG/Open GRIP的汽轮机叶片夹具参数化设计

通过对UG二次开发工具及其工作原理分析,介绍了参数化设计原理.利用GRIP语言进行编程,实现了叶片夹具实体自动生成的程序.该程序采用简单的人机交互方式,在不需要手工绘图的情况下就能得到叶片夹具实体装配图,并具有通用性、系列化等特点.最后,以某汽轮机叶片夹具为例介绍了参数化设计中的关键技术.该三维参数化设计方法不仅可以应用于汽轮机叶片夹具,也可以应用于其它一些典型非标准结构件的参数化设计,可大大提高产品的设计效率.     

汽轮机转子输出端和联轴器的设计探讨

针对汽轮机转子输出端和联轴器的设计问题,简述了工业汽轮机转子的特点和积木块的设计思想;论述了转子输出端的设计方法和流程,回顾了联轴器的设计发展历程,介绍了当今国际标准中,有关联轴器的型式、规定和要求;重点阐述了转子输出端与联轴器的配合和配置设计,指出了该领域的设计发展方向和趋势;首次提出了在工程设计中,确定转子输出端名义轴径,按当量扭应力的安全系数法来进行定量计算的概念;并对转子输出端与联轴器的螺纹联结形式和油槽位置等工艺性结构的合理设计进行了定性分析和探讨。     

燃气涡轮发动机计算机辅助设计系统

开发了基于大型有限元分析软件Ansys的燃气涡轮发动机辅助设计系统,该系统将CAD参数建模技术、工程有限元数值计算方法、经典强度计算理论与现代优化设计技术相结合,实现了涡轮盘、机匣和涡轮轴典型零件的参数优化设计的完整设计流程,建立了结构优化设计平台;并通过机匣的结构优化设计实例,验证了燃气涡轮发动机辅助设计系统的有效性。     

Turbine operation with nonsteady flow-analysis and experiments

The paper describes a theoretical and experimental study of the internal flows in single-stage, axial-flow pulse turbine. In the theoretical analysis, based on the method of characteristics, special attention was given to the boundary condition governing the flow from the nozzles into the rotor blades under off-design conditions. The analysis showed a momentum exchange occurring across the nozzle-rotor boundary, leading to entropy generation in the rotor passages, and corresponding energy dissipation.

Experiments conducted on a test turbine, in which turbine internal work was calculated from speed change data, showed remarkably high performance figures. A comparison of predicted performance with test measurements showed good agreement in the range of turbine speeds for which the analysis was written. It was concluded that substantial improvements in pulse turbine performance through design changes involving nozzle and rotor blades are not to be expected.     

分布多质量转子系统的不平衡响应特征

质量不平衡响应分析是转子系统动力特性计算与设计中的重要环节。这里以某汽轮机的涡轮轴系为研究对象,建立一个具有多个分布质量的力学模型,选择具有良好数值稳定性的Riccati传递矩阵法,进行轴系的不平衡响应分析,得到在工作转速和不同转速下,不同偏心质量处于轴系不同位置上时,轴系的不平衡响应。通过分析各种情况下不平衡响应的特性,考察轴系上各点对不平衡量的敏感程度,为该类转子的设计提供参考。     

1+1/2对转涡轮的气动设计与分析

主要进行的是1 1/2轴流式对转涡轮的气动设计研究。发展了1 1/2对转涡轮的设计体系,采用基于流线曲律法的可控涡方法对1 1/2对转涡轮进行S2流面的设计,对叶型设计方面的工作进行了探索,在传统的参数法叶型设计程序的基础上发展运用bezier曲线进行叶型优化,并采用商用CFD软件开展对转涡轮S1流场和全三维粘性流场的数值计算。     

基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计

为提高风力机叶片气动结构性能,基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理,选取叶片所处位置及扭转变形为自由度,在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上,提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征,提出风力机叶片优化设计模型,对某5 MW风力机叶片的进行形状优化设计,通过对比分析优化叶片和原始叶片的输出功率及气弹载荷特性,验证优化叶片气动及结构性能的优越性。     

基于MFC和 UG的汽轮机叶片工装参数化设计系统的研究

通过对UG二次开发工具及其工作原理的研究和分析,以及对汽轮机叶片工装的三维模型进行参数化设计和研究,介绍了利用VC 操纵UG零件族进行零件参数化设计原理,给出了在VC 编译环境下使用MFC 开发UG 应用程序的方法、步骤及界面实现技术,并以某汽轮机叶片工装为例详细介绍了参数化设计中的关键技术.该三维参数化设计方法不仅可以应用于汽轮机叶片工装,也可以应用于其它一些典型非标准结构件的参数化设计,可大大提高产品设计品质与速度.     

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.