基于制造加工因素诱导的涡轮泵叶片故障与可靠性分析

[目的]对制造加工因素可能诱导的液体火箭发动机涡轮泵转子系统的涡轮叶片故障及其可靠性进行分析.[方法]首先总结叶片加工方法中可能会形成的加工缺陷并提取特征,然后选取具有代表性的缺陷因素构建缺陷-力学模型,通过有限元分析软件得到仿真结果,再采用模糊聚类分析的方法拟定评价指标,预测叶片寿命并计算由加工缺陷诱导的可靠性程度.[结果]制造加工因素会较大概率引起涡轮叶片的故障与可靠性问题.[结论]未来应在涡轮泵等重要核心零部件的可靠性分析中加入对制造加工因素诱导的故障分析,论文提出的研究方法对发动机涡轮叶片的可靠性预测及故障分析具有一定的理论指导意义.     

高温高低周复合载荷试验加载技术

为了获取航空发动机涡轮转子叶片的疲劳寿命,通过电磁感应加热、高低周复合载荷协调加载控制方法实现正交载荷解耦联合加载,研究了转子叶片在高温环境、低周离心载荷和高周振动载荷耦合响应,并基于涡轮叶片模拟试验件,对上述技术进行了验证.结果表明,该试验技术具备可行性和正确性.可见该技术可以实现航空发动机结构部件的多场耦合复杂载荷...     

涡轮叶片蠕变寿命预测方法研究

针对高温构件的蠕变断裂寿命的预测方法进行了研究 ,根据蠕变试验 ,得到了 DD3单晶材料的蠕变常数 ,结合某航空发动机单晶涡轮叶片的蠕变行为 ,用 L- M法、θ法和改进的θ法进行了蠕变寿命预测 ,并进行了热弹塑性蠕变计算 .所得结果对工程应用是有参考价值的 .     

叶片轴截面曲线拟合方法

涡轮叶片作为飞机发动机的关键零部件,涡轮叶片和发动机高温区的零部件寿命往往是制约现代高性能航空器寿命周转的决定性因素。航空发动机零部件修复可谓是高投入、高附加值、高层次政策下的高技术产业,是一项军民通用技术。其巨大的经济利益吸引了许多国家和地区纷纷涉足此领域。逆向工程是一种高效率、低成本的新型设计方式。该文基于逆向工程技术,通过对点云数据进行测量,并对点云数据进行预处理,进而将曲面重构等技术对涡轮叶片的轴截面特性进行分析以及叶型进行拟合,为飞机发动机叶片的逆向重构提供了前提。这为航空发动机涡轮叶片损耗的有效降低和高效维修奠定了基础,具有一定的理论价值和实际意义。     

减小飞机发动机转子爆破危害的设计方法初探

当前的民用飞机大多采用涡轮发动机,尽管发动机供应商和制造商采用很多办法降低转子爆破发生的概率,但是飞机实际运营期间转子爆破事件仍然经常发生。如何减小发动机转子爆破对飞机的危害,是各航空器制造商必须面对和解决的问题。通过在飞机布局设计时考虑转子爆破影响,进而在整个设计过程中贯彻相关设计要求并不断验证其有效性,可以达到将转子爆破的危害减至最低的适航要求。     

静叶时序对高压涡轮性能影响的数值研究

现代航空工业的快速发展,要求不断地提高航空发动机的性能。涡轮作为航空发动机三大核心部件之一,其气动性能的改善对整个航空发动机的性能提高起着至关重要的作用。基于这一背景,通过对某1+1/2级静/动/静布局的涡轮叶片进行数值模拟,改变第二级静叶周向位置,研究时序效应对涡轮性能的影响。发现时序效应对涡轮上游流场影响微乎其微,对涡轮进口流量和落压比的影响不大,主要影响到涡轮效率。从而说明,在叶片设计初级阶段,可以通过时序效应,调整叶片周向位置,改善涡轮性能。     

转子叶片安装板型面测量研究

叶片是航空发动机的心脏,高温高压气体依靠压气机叶片的增压生成,并通过涡轮叶片使涡轮旋转。压气机叶片数量众多,形状结构复杂,尺寸大小两极化严重,技术要求严格,制造难度大,压气机叶片体积大小不一,尤其是缘板形状不规则,它是样条旋转曲面构成,这样给机械加工和几何尺寸检测带来很大困难。检测的转子叶片体积大、叶身形状极其不规则,尤其是缘板的形状,X方向是由样条曲线旋转而成,其两侧面都是由空间角度面形成,检测的过程中需要建立两个坐标系进行缘板内型面的检测和校对量规的检测。     

民用航空涡轮发动机装机后的外来物适航符合性分析综述

民用航空涡轮发动机作为飞机的最重要系统,是一个气动力作用系统和高速旋转机械系统,外来物的进入和撞击将对气动型面和转子叶片等造成物理损伤,从而影响发动机功能甚至造成空中停车等安全性问题,分析适航条款对发动机外来物的要求无论是对发动机取证,还是飞机上的动力装置取证都具有很重要的意义。     

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。     

导流叶片两端间隙不同分配对可调向心涡轮性能影响

针对现有可调涡轮产品缺少喷嘴环叶片两端间隙约束机构现状,选取三种典型喷嘴环叶片间隙分布模型,用数值方法研究喷嘴环叶片两端间隙不同分配对涡轮级性能影响,并找出导致涡轮性能变化的相关机理,为提高可调向心涡轮在非设计工况下性能提供参考. 研究结果表明:在小开度情况下导流叶片两端间隙变化导致涡轮级效率差别至少为4％,且流动损失变化主要集中在转子段;导流叶片间隙泄漏流中气体气流角小于主流气体,因此间隙分布变化可以改变转子叶片吸力面前缘附近分离涡位置,从而改变转子叶轮通道内部流动损失,最终影响涡轮性能.      

涡轮叶片MDO实现的进展

航空发动机涡轮叶片系统的设计涉及了空气动力学、热学等等诸多相互关联或耦合的学科,往往需要通过各学科之间反复的协调分析才能设计出性能优良的系统。为突破以往过分依赖经验的设计方法,近年来众多学者对发动机叶片的MDO技术进行了大量的研究和探索。我们借助国际上先进的MDO软件iSIGHT建立了集成不同数值模拟器的MDO平台,并将其成功地应用于涡轮叶片的MDO过程中。     

基于热力耦合计算的涡轮叶片疲劳?蠕变寿命预测

对Morrow修正公式中的疲劳强度系数和疲劳强度指数进行修正,建立了涡轮叶片低周疲劳寿命预测模型.利用有限元软件ANSYS对涡轮叶片进行热力耦合计算,得到了涡轮叶片在离心、温度及气动三种载荷联合作用下的应力应变分布规律.应用所提出的低周疲劳寿命预测模型和蠕变持久方程,对在叶身上选取的5个考核点进行了疲劳/蠕变寿命预测.结果表明:叶片寿命为13 114次工作循环,叶片进气面根部的寿命最小,应为涡轮叶片检查和维修的重点部位.     

涡轮阻尼器叶片参数对阻尼系数影响分析

为研究涡轮阻尼器叶片参数对其阻尼系数的影响,采用CFD数值分析技术,建立了涡轮阻尼器阻尼系数与叶片轴向尺寸的参数模型,分析了不同叶片参数下阻尼系数的变化规律,并进行了试验验证.研究结果表明:涡轮阻尼器叶片参数对阻尼系数的影响起主导作用.增加涡轮阻尼器定子轴向尺寸,其阻尼系数先增加后减小,阻尼系数存在拐点,在拐点位置阻尼系数最大;阻尼系数拐点位置与转子叶片数量和轴向尺寸无关,随定子叶片数量增加而减小;阻尼系数最大值随转子轴向尺寸的增加而增加,随转子叶片数的增加呈先增加后减小的趋势,随着定子叶片数的增加而减小.实验结果与CFD分析结果变化趋势一致,最大误差为9.1%,证明了CFD分析的正确性.     

某型航空发动机涡轮盘的可靠性灵敏度设计

航空发动机涡轮盘结构比较复杂,无法直接获得极限状态方程的显示表达式.针对这一问题,提出了涡轮盘可靠性灵敏度设计的Monte Carlo-随机有限元法与神经网络技术相结合的方法.考虑了涡轮盘结构的几何尺寸、材料性能特性和环境载荷的随机性,利用神经网络的非线性映射功能,模拟得到随机响应与随机参数的关系表达式,采用一次二阶矩法进行可靠性设计;通过对涡轮盘的可靠性灵敏度设计,得到了各参数均值和方差对涡轮盘可靠性的影响情况.利用结构可靠性分析软件NESSUS验证了所提方法的正确性,为涡轮盘可靠性灵敏度设计提供了理论参考.     

晶体取向对镍基单晶DD6合金蠕变性能的影响

针对航空发动机镍基单晶涡轮叶片高温服役下蠕变寿命的取向敏感性难题,开展了DD6单晶合金[001]、[011]与[111]3种典型取向在980oC下的蠕变试验,获得了服役温度下单晶合金的蠕变寿命、伸长率,均为[111]取向>[001]取向>[011]取向;通过对蠕变过程中微观组织演化以及蠕变断裂后断口形貌进行分析,揭示了不同取向下单晶合金的蠕变失效机理;基于晶体塑性理论,建立了DD6单晶考虑取向敏感性的粘塑性本构及损伤方程,能够较好地拟合不同晶体取向单晶的蠕变过程,为单晶叶片的强度分析与寿命预测提供参考。     

涡轮叶片参数化结构设计平台的开发

针对航空发动机涡轮叶片的结构特点,提出一种UG(Unigraphics NX)混合参数化建模生成涡轮叶片的方法.利用UG提供的4种二次开发工具及VC++程序设计语言,在UG环境下,完成涡轮叶片参数化结构设计平台的开发,并给出应用实例.     

风扇叶片结冰对航空发动机不平衡响应影响研究

航空发动机风扇叶片结冰对转子不平衡具有显著的影响;并导致发动机推力的损失。针对风扇叶片结冰对转子不平衡的影响问题,采用结冰软件详细分析了商用航空发动机风扇叶片结冰情况。基于隐式动力学模型研究了风扇叶片结冰引起的整机转子不平衡。通过整机有限元模型研究了风扇叶片结冰对不同支撑轴承载荷和位移的影响;进一步研究了不平衡条件下转子和静子的间隙。研究结果表明风扇叶片结冰质量的最大工况为地面慢车状态,对一号轴承和二号轴承有一定的影响。提出的分析方法可以为风扇叶片防冰设计和验证提供指导。     

考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命快速预估方法

对于航空发动机涡轮盘来说,主要存在蠕变失效和疲劳失效这两种失效模式;在循环工作条件下,蠕变损伤和疲劳损伤不断累积,且蠕变损伤和疲劳损伤存在交互作用.此外,由于金属材料在高温和高应力下存在明显的蠕变变形,从而造成涡轮盘存在应力松弛现象.因此,蠕变-疲劳损伤分析就成为涡轮盘寿命预测的重要组成部分.基于线性损伤累积理论,提出了在典型梯形循环转速谱作用下考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命的工程化快速算法.并利用算例验证了该方法的有效性.     

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。     

转子叶片外径组合加工方法研究

航空发动机是一种特殊的高科技产品,航空动力技术已经成为一个国家科技水平的重要标识之一。发动机的四大转子叶片外径要求在组合状态下进行加工,且要求在工作状态下进行,即转子高速旋转叶片完全甩开的情况下得到叶片外径尺寸。传统的加工方法采用外圆磨床或普通车床改制的磨床,利用模拟盘螺栓顶紧叶片底面或在叶片底面塞塞片的方法将叶片固定到工作位置的方法来模拟叶片甩开的状态。本文主要从叶片的不同结构出发,总结其叶片外径的加工方法,重点针对叶片与轮盘底面间隙较大的叶片外径加工方法进行创新,设计一种涨紧装置将转子叶片涨紧以模拟叶片的工作状态。此种涨具应用于各类转子叶片的外径加工,可作为一种通用的工装工具加以推广。