涡轮叶冠的优化设计技术研究

叶冠作为涡轮叶片的关键结构,直接影响叶片的强度、振动、可靠性、寿命甚至发动机的安全.依据航空发动机叶冠设计的一般准则,结合前人总结的设计经验,设计出适于某发动机涡轮叶片的叶冠.并以iSIGHT为优化平台,集成了结构建模和计算分析软件,构建了叶冠优化设计流程,在此基础上开展了关于涡轮叶冠优化的研究.实例证明,提出的针对叶冠的优化流程是可行的,这也给复杂模型的结构设计优化提供了可供借鉴的方法.     

改型前后高压工作叶片冷却特性分析

对航空发动机高压工作叶片进行改型设计,应用Fluent和ANSYS软件对高压工作叶片内边界条件、外边界条件及温度场分布进行计算,对比改型前后高压工作叶片的温度场分布,分析改型前后高压工作叶片的冷却特性.通过分析可以看出,改型后高压工作叶片的前缘、中部冷却效果变好,榫头部位温度梯度减小.     

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。     

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.     

航空发动机高压涡轮转子试验段静强度研究

首先,利用有限元分析软件对某型航空燃气涡轮发动机的高压涡轮转子超转、破裂试验段进行了静强度计算,得到了转子中各轮盘及转接段的应力、变形分布及其强度薄弱部位;其次,根据有限元计算的结果和对应的材料特性,按照相关的应力评定准则对轮盘及转接段的强度储备进行了评定;然后,对盘类零件之间连接时的变形协调性进行了研究,并给出了此类零件连接时的设计方法;最后,对高压涡轮转子在试验段状态下和发动机状态下的变形协调性进行了对比分析,校核了转接段设计的合理性。本文建立了航空发动机涡轮转子超转、破裂试验前的强度评估流程,以确保此类试验能够安全进行。     

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。     

某航空发动机单晶涡轮叶片研制及应用

某航空发动机所用的K465合金高压涡轮叶片在使用条件下的强度安全裕度较低,在使用考核中造成了高压涡轮叶片烧蚀断裂故障。为保证发动机的性能、寿命及材料整体匹配性的要求,开展了某单晶高温合金及涡轮叶片的研制及应用研究。研制的单晶高温合金不但具有卓越的高温性能,而且还具有优异的工艺性能和抑制再结晶能力。批量试制出了合格的某发动机单晶涡轮叶片,形成了一系列该单晶涡轮叶片工程化制备生产用工艺规范和单晶叶片铸件验收暂行技术条件;单晶涡轮叶片试验件已通过了热冲击试验、振动疲劳试验、转子超温超转试验和发动机整机长期试车试验考核,经受住了严苛的考验。该单晶叶片的研制成功,填补了国内同类产品的空白,该研究成果也可用于其他高推比发动机。     

基于ANSYS的航空发动机涡轮叶片有限元仿真

针对航空发动机涡轮叶片服役时工况恶劣,难以测量其应力、应变的现状,通过分析涡轮叶片工作时的物理场环境,利用CFX对叶片流场进行气动分析,在此基础之上,通过ANSYS Workbench进行叶片典型工况下气、热、固多场耦合仿真计算,得到涡轮叶片叶身部分在典型工况下的应力、应变及形变云图,最后将仿真结果与理论计算及叶片实际工作情况进行对比,证明仿真结果具有一定的准确性,其结果可为航空发动机涡轮叶片的结构设计及寿命预测提供数据参考.     

航空发动机热态下不均匀叶尖间隙的热固耦合分析

涡轮叶尖间隙对发动机性能有很大影响。孔探图像显示高压涡轮叶片前缘与机匣衬套之间摩擦严重,且发动机排气温度裕度持续偏低。为了精确获得航空发动机在工作环境最恶劣工况下的叶尖间隙值,对涡轮盘与叶片进行热固耦合有限元分析。采用SolidWorks 2014建立高压涡轮盘与高压涡轮叶片模型,借助ANSYS Workbench获取工作状态下涡轮盘与叶片的温度场分布与结构变形量,得到高压涡轮叶尖前缘与后缘的实际间隙值,为改进高压涡轮单元体维修方案,提高发动机性能提供合理建议。     

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。     

航空发动机高涡叶尖外撑测量工艺设计与分析

为解决航空发动机高压涡轮转子叶尖外径测量时存在装配间隙、外表易磕碰、难以固定等问题,提出一种将相邻左右叶片的叶尖作为支反力作用点,对待测叶片进行径向外撑消隙的新型工艺方案。设计高涡叶片外撑测量装置,在高压涡轮不拆分后挡板的状态下,对转子叶片进行径向外撑和固定。进行高涡叶尖外径测量试验,对测量系统进行精确度分析,测量精度可达到0.04 mm,满足现有测量要求,为今后研制航空发动机高精密高涡叶尖外径测量仪器奠定重要基础。     

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.     

叶根前缘倒角对低压涡轮转子叶片强度的影响

针对某型航空发动机低压涡轮转子叶片在叶根前缘倒角处发生应力集中的问题,研究了叶根前缘倒角半径对低压涡轮转子叶片强度的影响。研究结果表明,随着叶根前缘倒角半径的增加,低压涡轮转子叶片根部前缘倒角处应力集中效应降低,可作为减少低压涡轮转子叶片疲劳破坏和断裂失效的措施。叶片表面气动力载荷、离心力载荷是导致低压涡轮转子叶片根部前缘倒角处应力集中的主要原因。其中,气动力载荷引起的应力占总等效应力的78%,离心力载荷引起的应力占总等效应力的22%,温度场载荷引起的应力可忽略。     

航空发动机Ⅰ级涡轮叶片断裂故障分析

某航空发动机Ⅰ级涡轮工作叶片断裂是一项重大故障。本文以光弹性技术为主，从结构、工艺、材料等方面进行综合分析，确定故障的主要原因是离心应力和振动应力组成的变幅应力过大而引起的疲劳断裂。同时提出开卸荷槽的结构措施以及喷丸、调整叶冠装配间隙等工艺措施，大大提高了叶片伸根部分的抗疲劳强度。排故措施经过零件的振动疲劳试验和发动机台架试验证实，并已在新旧发动机中应用，取得良好效果。     

基于模态共振分析的某故障涡轮叶片改型设计

某型发动机涡轮静子叶片在运作过程中经常出现断裂现象,为了保证飞机的安全运营,需要对故障叶片进行分析及改型处理。运用ANSYS进行模型建立及计算,对故障涡轮叶片进行模态分析。再对故障叶片进行延展改型并通过ANSYS进行验证,通过计算得到结论,改型后的叶片成功避开了原叶片发生故障时的事故频率,改型前后叶片1弯模态应力分布几乎一致,应力最大点和次大应力点均分别位于叶片前缘靠近顶部区域和叶片吸力面靠近顶部区域,且应力大小相差不大。由于避开了事故频率,到目前为止,使用过程中未再有断裂现象发生,从而验证了改型方案的可行性。     

CMC复合材料涡轮转子叶片结构设计

在现有成熟的航空发动机基础上,采用CMC复合材料适应性设计低压涡轮转子叶片的结构,在涡轮盘上均布安装4件,对CMC复合材料能否在航空发动机高温部件上应用,进行结构上可行性的研究。     

高压压气机转子叶片振动特性分析

基于ANSYS软件对某型航空发动机高压压气机第一级转子叶片的振动特性进行了分析研究,建立了叶片的三维有限元模型,采用分块Lanczos法,计算得到了叶片在发动机常用工况转速下的各阶自振频率、相应振型及振动应力分布,找出了应力较大的薄弱区域.最后考虑了高压压气机进口导流叶片后形成的气流尾迹对此级转子叶片的激振影响,得到该级转子叶片的共振图,结果证明该转子叶片在常用工况转速下,不会因为进口导流叶片后的气流尾迹引发共振.为叶片的后续结构分析、实验及振动排故提供了必要的数值依据.     

某型航空发动机涡轮部件性能衰退模型研究

作为航空发动机的重要组成部分,涡轮部件承受着高温高速燃气产生的热载荷和气动载荷及自身旋转产生的离心载荷等,因此对其性能监控是十分必要的。文中参照国内某航空公司监控航空发动机涡轮部件性能所依据的标准,对某型航空发动机的高压涡轮转子部件在各种载荷作用下所受的应力应变进行分析,并且结合S-N曲线法和Manson-Coffin的Morrow修正法对其疲劳寿命进行了预测研究,建立了涡轮部件的性能衰退模型,为航空发动机维护和性能的监控提供了参考依据。     

航空发动机I级涡轮叶片断裂故障分析

某航空发动机Ｉ级涡轮工作叶片断裂是一项重大故障。本文以光弹性技术为主，从结构，工艺，材料等方面进行综合分析，确定故障的主要原因是离心应力和振动应力组成的变幅应力过大而引起的疲劳断裂，同时提出开卸荷槽的结构措施以及喷丸，调整叶冠装本间隙等工艺措施，大大提高了叶片伸根部分的抗疲劳强度，排故措施经过零件的振动疲劳试验和发动机台架试验证实，并已在新，旧发动机中应用，取得良好效果。     

基于真空热处理制度对航空发动机涡轮叶片影响的研究

选取某型航空发动机低压涡轮叶片为试验样本,为消除机械加工过程中带来的残余应力,对其分别选用两种真空热处理制度进行去应力试验。在试验过程中,对比分析真空热处理前后叶片尺寸、材料成分及疲劳试验等最终特性,为航空发动机涡轮叶片热处理制度的选择提供了参考依据。该试验研究目的是选择合适的真空热处理制度,既消除机械加工过程中带来的残余应力的同时,又满足航空发动机叶片最终装配特性和材料性能特性。