涡轮气冷叶片高温环境下的结构强度分析软件开发

涡轮是燃气涡轮发动机中的重要部件,燃气轮机性能的提高需要涡轮进口温度也不断提高。涡轮进口温度的增加要考虑叶片材料的耐温程度,同时必须限制叶片内部温度水平和温度应力,即涡轮叶片需气冷降温,因此涡轮叶片温度场和应力场计算具有重要意义。三维涡轮叶片的换热流动数值计算非常复杂,设计单位在初步设计阶段往往需要从二维叶片开始设计,进而完成三维叶片的数值计算工作。针对上述需求开发了一套完整的二维涡轮气冷叶片的热应力有限元计算程序,满足了叶片初步设计时对换热和热应力计算的需求,并将计算结果与国外商业软件ANSYS进行了对比,证明本研究开发的软件是有效的。     

热膨胀引起的炸裂现象研究

玻璃杯受热后,由于内外温度变化不均匀而导致的炸裂现象进行理论分析,说明了产生炸裂现象的力学本质,同时对热力管道中的热应力也作了相应的分析。     

热障涂层TGO热生长和TC烧结强化模拟

为模拟涡轮叶片热障涂层在不均匀温度场作用下热生长氧化层(TGO)的热生长和陶瓷面层(TC)的烧结强化,采用时间和温度相关的TGO热生长模型,建立TC烧结强化的增量本构模型,并通过ABAQUS子程序CREEP和UMAT予以实现.结果表明:发生显著TGO增厚和TC弹性模量强化的区域与不均匀温度场的高温区域相符合.在0~200 h内,TC最大弹性模量增大了74.567 GPa,并使得叶盆和叶背中后部TC热应力水平明显增大;TGO最大厚度增加了2.29μm,使得周向和径向抵抗热失配的承载截面增大,降低了TGO热应力水平;而TGO热生长和TC烧结对粘结层(BC)和合金材料的热应力几乎没影响.     

振荡射流提高风力机叶型升力的实验研究

如何有效地提高风力机叶片叶型的气动性能是风力发电技术面临的重要问题。为验证在风力机叶片叶型上表面头部加入一定频率的振荡射流可以对叶型的气动特性产生有利的影响,对实际的风力机叶片叶型进行实验研究,得到叶片的表面压力分布并进行了分析。对NACA4418叶型,当弦长Re为6.0×105时,在上表面距离头部弦长7.8%的位置加入50～500Hz频率的振荡射流都可以有效的提高叶型的升力因数,对升力因数增加射流的大小和频率存在最佳值。这一特性为提高变工况下叶片的气动效率指出了一种有益的途径。     

热障涂层对涡轮动叶冷却效果影响的数值研究

为了获得涡轮叶片热障涂层隔热效果和温度分度分布规律，以带有内部冷却结构的某型燃机高压涡轮动叶为基础模型，通过气热耦合的方法对有/无热障涂层保护下的高压涡轮动叶的冷却效果进行了数值计算，并通过改变热障涂层的厚度研究了热障涂层对叶片换热的影响规律。研究发现：涂有热障涂层后，叶片温度下降明显，越靠近前缘温度降低幅度越大，压力侧与吸力侧相比温度降幅更大；厚度为0.05～0.2 mm的热障涂层可使叶片金属表面平均温度降低21～49℃；随着涂层厚度等增加，叶片金属内部的温度分布将更加均匀。     

气冷涡轮叶栅流动及热应力特性的数值研究

采用CFX商用软件的不同湍流模型对NASA-MarkII高压燃气气冷涡轮叶栅进行气热耦合计算,着重分析了叶栅内部流动情况及传热特性.与实验结果比较,k-ω-SST-GammaTheta湍流模型计算结果与实验结果吻合较好.应用ANSYS11.0商用软件对气冷涡轮叶片气热耦合温度场结果进行热应力计算.结果表明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显著影响.     

涡轮导向叶片热冲击双向耦合数值研究

航空发动机涡轮导向叶片热冲击过程是一个典型的固体变形场、温度场和流场三场耦合作用问题,工况复杂。基于流固热耦合理论,求解一维平板模型热弹性解析解;并进行数值模拟和对比分析,验证了双向耦合方法的有效性。应用建立的双向耦合方法对某涡轮导向叶片热冲击过程进行数值模拟,得到了涡轮导向叶片表面温度及热应力分布规律。研究表明,提出的双向耦合方法可以有效地预测涡轮导向叶片的温度及应力分布规律,计算温度与试验误差小于5%;应力集中处与试验中叶片破坏区域一致。研究对航空发动机涡轮叶片热冲击过程数值模拟提供了有效方法。     

感应回火对冷成形高强度钢方管力学特性的影响

针对直接冷弯成形工艺制备的高强度钢方管出现弯角力学性能下降、冷作硬化效应明显和残余应力集中等问题,提出了在线局部感应回火工艺.该工艺有效解决了冷成形高强度钢方管角部缺陷问题,并发现不同感应回火温度对弯角力学性能有较大的影响.结果表明:当回火温度在650℃时,方管弯角处强度和延伸率与原材料性能接近,在酸洗压扁实验中的压下量超过方管对角线1/2仍没有裂纹出现,残余应力大小和分布也得到一定程度的改善;当回火温度为700℃时,高强度钢方管弯角强度开始降低,热影响区变大,残余应力分布异常.     

支板对大子午扩张涡轮流动损失的影响

大子午扩张涡轮的端壁流动损失较大,采用前掠宽弦叶型能够大大降低端壁的流动损失,但对支板的气动设计带来了较大难度。通过采用新的支板与导向器位置布局对支板进行设计,对不带支板的前掠宽弦涡轮导向器和带支板的前掠宽弦涡轮导向器进行流动和损失对比分析。探讨了支板对采用前掠宽弦叶型的大子午扩张涡轮导向器流动损失的影响。研究表明:支板的加入只对支板两侧流道产生影响,损失的差异主要集中在支板吸力侧流道的支板吸力面和支板压力侧流道的叶片吸力面区域。且因径向压力梯度,涡系的径向运动剧烈。     

轴流涡轮不等栅距板式喷嘴叶片的造型计算方法

本文提出轴流涡轮不等栅距板式喷嘴直叶片的造型计算方法。首先确定切向平面上的叶型中弧线、叶厚和不等栅距。利用几何方法和光顺样条函数就能计算出切向平面和各圆柱截面上的叶型坐标和叶型切线倾角以及切向平面上的沿型线从叶片进口起算的距离。用直接求解法求解喉口尺寸,並进而算出气流出口角。文中给出计算示例。     

涡轮叶片热疲劳分析

针对涡轮叶片工作产生的热疲劳破坏问题,利用Solidworks三维建模软件建立叶片CAD模型,运用ANSYS有限元软件workbench模块对其进行300℃~600℃温度梯度工况下的热疲劳分析,分析得到涡轮叶片温度场和热应力分布云图,确定了涡轮叶片危险部位及应力分布情况,进而对涡轮叶片进行疲劳寿命预测,研究结果对提高涡轮叶片可靠性提供借鉴与参考。     

串列叶栅前后排叶型对叶片损失的影响

为了研究串列叶栅前后排叶片叶型变化对叶片损失的影响,采用数值模拟方法,对三种不同叶型组合的平面串列叶栅在0°攻角工况下,进行了总压损失分布和损失机理分析。研究结果表明,前排叶片的叶型,尤其是前缘形状的改变对串列叶栅的总压损失分布有显著影响;而后排叶片的叶型变化造成的影响较小;参数L=ρV03/T反映了附面层内熵增的难易程度。由于前排叶片前缘附近的L值要远大于后排叶片,从而导致串列叶栅的总压损失对前排叶片的叶型变化更加敏感。     

厚壁圆筒中多条裂纹的热应力强度因子

含有多条裂纹的承受内压的厚壁圆筒，当其温度发生不均匀变化时将会产生热应力，从而使总的应力场发生变化，裂纹尖端的应力强度因子也将发生变化，裂纹尖端总的有效应力强度因子可以通过叠加分别由内压和温度应力引起的应力强度因子而得到，对一个大范围的厚壁圆简几何参数和裂纹配置情况，用有限单元法计算了由稳态温度应力引起的应力强度因子，并讨论了圆简和裂纹的几何参数对应力强度因子的影响。     

高转速部分进气涡轮盘气流力及叶片振动响应研究

针对部分进气涡轮盘所受气流力在周向分布的严重不均匀易造成动叶片疲劳破坏的问题，从部分进气气流力特征和叶片振动响应两个方面进行了研究。根据已有数值模拟和实验结果给出了部分进气模式下考虑Kick效应的叶片所受气流力的分布曲线，采用快速傅里叶变换方法(FFT)分析了气流力的频谱特征，研究了转速和进气度等因素对气流力的频域特性的影响；采用有限元方法对某火箭发动机部分进气涡轮盘进行了瞬态振动响应分析，对比气流力的频谱特征，研究了叶片振动响应的特性。结果表明：在部分进气模式下，高转速涡轮盘叶片所受气流激励可以视为脉冲激励，存在多阶谐波分量；高转速或小进气度都会使得气流力的高阶谐波分量的幅值较大，使得涡轮盘叶片发生高倍频的共振或幅值较大的强迫振动，区别于全周进气的涡轮盘只需避开前6倍频气流力可能引起的共振，部分进气时还需考虑更高倍频气流力的影响。     

非均匀温度场中厚壁圆筒变形研究

厚壁圆筒工作时多处于非均匀温度场中，厚壁圆筒在非均匀温度场中的热变形理论要考虑热应力产生的形变对其变形量的影响。用热弹性力学的方法推导了由于热应力和自然膨胀所产生的厚壁圆筒在非均匀温度场中的热变形公式，实验结果证实了公式的可用性。     

浅谈发动机的热负荷

我们通常所说的发动机热负荷,一般包含两个方面的内容:其一是指发动机受热的宏观表现。即当受热零件超过一定温度后其工作能力的降低。如材料强度下降,表面硬度减少,易于磨损;膨胀变形,配合间隙破坏,润滑油变质,工作性能恶化,直至因过热而发生烧伤和熔化等等。其二是指各零件受热后组织内部的微观变化。如活塞、气缸盖和排气阀等,由于它们的几何形状复杂,各部分温度分布不均,从而引起很大的热应力。当这种内部应力超限后,会使零件因几何变形或破坏而丧失工作能力。显然,内燃机负荷增大时,这些零件的     

增压器总体传热研究下的轴承体热应力分析

基于耦合传热理论,建立了废气旁通阀式的涡轮箱模型,并将涡轮箱、隔热罩、轴承体作为一个装配体进行了传热分析,得到了轴承体的温度场和热应力分布.结果表明:温度从涡轮箱至轴承体逐渐降低,呈现明显的温度梯度,涡轮箱的最高温度比初始废气温度低71.5℃左右;由于隔热罩的隔热作用和冷却水、机油的双重冷却作用,轴承体的温度较低;由于轴承体内部和表面区域温差较大,其热应力较高.与实验对比,轴承体温度的仿真值与实验值误差最大为7.2%,说明该仿真方法具有较高的精度,能为增压器的设计和优化提供一定的理论依据.     

喷射沉积板材成形与热应力研究

研究了板材的多层喷射沉积制备工艺过程中出现的热应力及其对材料成形的影响规律．提出界面热应力、层间热应力和不均匀沉积热应力均为主要的热应力，进而对相关的板材成形实验现象作出了合理的解释．在综合考虑工艺参数、热应力和板材成形三者关系的基础上，优化工艺参数，制备出５００ｍｍ３００ｍｍ２０ｍｍ的耐热铝合金ＦＶＳ０８１２板材     

基于叶型和叶栅稠度改进调节门性能的实验研究

对某风机的常规调节门进行了改进,用双直线叶型替代原直叶片叶型,采用提高调节门小半径处叶片的弦长来增加叶栅稠度.针对改进后的调节门,采用五孔探针对调节门后的流动参数进行了详细的测量.结果表明:采用双直线叶型可以减小调节门的阻力系数并增加调节门的预旋系数,当叶型两直线间的夹角为20.时效果较好;另外,增加叶片弦长可以比较明显地增加调节门的预旋系数,而阻力系数基本保持不变;预旋作用的增大对提高调节门的调节能力和节能效果均有比较明显的作用;该实验使用的离心风机的调节门叶片角度在50°～90°的范围内时,相同流量下风机功率减小2%～3%.根据总体性能分析,为消除由于叶片角度初始位置定义不同带来的影响,可以考虑采用旋阻曲线来反映调节门的性能.     

径流式涡轮三维温度场分析

高温径流涡轮承受很高的热应力,新一代的陶瓷涡轮由于燃气初温高,以及材料固有的热脆性,使温度场、热应力的研究在陶瓷涡轮的设计中更占有重要的地位。本文用三维有限元法分析了陶瓷和金属材料的径流涡轮温度场。为了确定热传导边界条件,作者用准正交面流线曲率法确定势流流场,接着用边界层能量积分方程计算了叶轮壁面的放热系数,从而建立了一个从径流涡轮流动计算到温度场分析的软件包。计算结果表明,温度梯度的最大值出现在近叶片根部。此外,气流出口处的轮毂部分温度梯度也较大。这些地方将是应力集中区。