稳态温度场作用下涡轮叶片的可靠性分析

采用蒙特卡罗仿真方法对某型发动机第一级涡轮转子叶片进行可靠性分析,考虑了稳定工作条件下稳态温度场对涡轮叶片的影响,忽略振动载荷及气动载荷。根据场序热一结构耦合方法对涡轮叶片进行了确定性热应力分析,然后通过大量蒙特卡罗仿真试验对涡轮叶片应力的概率分布进行了分析求解,求解过程中采用了模型数据文件与温度载荷数据文件循环调用的方法,对影响涡轮叶片应力状况的随机因素进行了灵敏度分析。以不考虑温度场情况下的分析作为对比参照,根据对比发现在温度场作用下涡轮叶片材料弹性模量的分散性对叶片可靠性较常温状况下有较大的影响,且常温状况下叶片可靠度的计算结果偏高。     

气膜孔对涡轮叶片振动特性的影响

由于涡轮前温度的不断升高,叶片冷却结构的复杂化、复合化,为改善涡轮冷却叶片在愈发恶劣的工作环境下的抗振特性,建立了多个复合冷却方式涡轮叶片的3维有限元模型。通过对模型进行热-固耦合和振动特性分析,研究了气膜孔的大小、数目、位置、排列、角度对叶片固有频率的影响。结果表明:气膜孔数的增多会导致叶片固有频率的降低,最多降低8.0%;气膜孔的增大对其影响则是不稳定的;其角度和位置的影响可以忽略不计。     

考虑稳态温度场的涡轮叶盘振动特性概率分析

为了研究稳态温度场及离心载荷的随机变化对涡轮叶盘振动特性的影响,利用有限元方法对稳态温度场作用下的涡轮叶盘结构振动特性进行确定性分析。在此基础上,采用含交叉项的二次响应面方法对叶盘结构振动特性进行概率分析,得到稳态温度场下叶盘结构振动特性的概率分布特征,并给出温度场及离心载荷等随机变量对叶盘结构随机性振动的模态频率的影响规律。最后,根据共振考核状态及坎贝尔图,结合转速与频率的相关性提出叶盘随机性振动避共振方法,并在几个典型工况下对叶盘结构随机性振动进行了避共振分析。结果表明,随机参数3%的变化能够导致叶盘共振转速区拓宽50%以上,并造成多个共振转速区重叠现象。     

自由涡轮叶片/轮盘耦合振动特性分析

自由涡轮是航空发动机的关键部件,其工作环境非常恶劣,承受着离心载荷、热载荷、气动载荷及振动载荷等的复合作用。利用UG软件对某型自由涡轮2级涡轮轮盘/叶片进行3维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析中的模型为基础,考虑温度场和离心载荷的影响,计算出涡轮叶片/轮盘不同转速下的动频。从Campbell图可见,涡轮叶片/轮盘在工作转速下没有发生共振的危险,该型涡轮设计合理。     

涡轮叶片温度场插值的坐标变换法

研究了利用坐标变换求涡轮叶片温度场的插值方法。选择等叶高面间的叶片体为研究对象,利用20个节点包络此叶片体,在物理坐标与虚拟坐标之间建立坐标变换函数,确立物理坐标节点与虚拟坐标节点的映射关系,通过坐标变换把形状复杂的叶片体变换为规则的正方体,在虚拟坐标系中、规则的正方体上插值求得涡轮叶片体任意点的温度值。通过算例验证了该方法的可行性和正确性。     

带冠涡轮叶片振动特性的子区间组合分析方法

为准确计算分析带冠涡轮叶片振动特性的非确定性问题,将区间组合法与有限元法相结合,发展了适用于复杂结构振动特性的区间求解方法,并建立了基于商用有限元软件的区间振动特性求解流程。考虑工况温度、叶冠接触状态和榫头约束角刚度的分散性,对带冠涡轮叶片的模态特性和振动响应进行了求解,研究得到了典型结构、载荷等非确定性参数对叶片振动特性的影响规律。研究结果表明,与蒙特卡洛法相比,该方法可使计算效率提高10倍以上,计算结果的相对误差不大于50%,获得振动特性的区间结果更为可靠,并且该方法无需对非确定性参数的概率分布进行假设,具有良好的工程应用前景。     

Ⅰ级涡轮叶片振动特性研究

对某型发动机Ⅰ级涡轮转子叶片的振动特性进行了较深入的研究，并分析了它在发动机常用工作转速下发生共振的可能性，对该机原型叶片的振动特性和激振力特性进行了理论分析，计算中考虑了温度场和离心力的影响，使计算结果更接近实际情况；同时还做了叶片静频和振动应力分布试验。通过理论计算和试验测试结果分析表明：所用的分析方法可行有效，试验和计算结果具有一定程度的可信性。     

燃气轮机叶片-轮盘耦合系统振动特性计算

建立了叶片－轮盘耦合系统振动固有特性计算分析模型。利用有限元通用程序NASTARN的循环对称分析功能和几何非线性分析功能,对某舰用燃气轮机实际叶片－轮盘结构进行了计算分析。计算中考虑了旋转离心力及材料参数随温度变化对固有特性的影响,计算得到了谐波共振频率与实测结果基本吻合。     

指尖密封的温度场及热结构耦合分析

以单梁-双层密封片为单元建立了指尖密封热分析模型,依据指尖密封的实际工况确定了指尖密封热分析边界条件,通过有限元分析获得了不同工况条件下指尖密封的温度场分布,结果表明指尖密封的最高温度分布区域与高压腔气体温度高低有关,随着高压腔气体温度升高,最高温度分布区域自指尖靴部向高压密封片中部转移.在指尖密封热分析基础上进行了指尖密封热结构耦合分析,获得了考虑热效应的指尖密封的迟滞特性和接触性能.与不考虑温度影响的指尖密封性能分析结果相比,考虑热效应下的指尖密封的迟滞量减小,指尖与转子间的接触压力明显增大.      

热风洞中涡轮叶片温度场红外热像测量方法

提出了在热风洞中利用红外热像来测量涡轮叶片表面温度场的方法.针对热风洞特有的干扰因素,即石英玻璃窗口的透射比随着叶片表面温度变化以及燃气中的二氧化碳和水蒸气等组分参与热辐射所带来的干扰,在取得红外热像后按照燃气工况对温度场测量结果进行综合修正.考虑到叶片表面曲率的变化,通过几何上的变换重现了实际叶片表面上的温度场.结果表明:在热风洞的叶片温度场的红外热像测量中存在着110~140K的修正量.高温燃气环境中的红外热像测量结果必须按工况进行修正.      

基于CFX的涡轮叶片流场及温度场的数值模拟

涡轮叶片作为航空发动机重要的热端部件,其工作情况直接影响到涡轮的机械效率.利用流体计算软件CFX研究了涡轮叶片工作时的流场及温度场,并进行了较为深入的分析,较真实地展现了叶片工作时的情况,为验证冷却方式的有效性及对涡轮叶片进行热-结构耦合计算奠定了基础.     

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力.建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所...     

某型燃气轮机燃烧室出口温度场的调试

试验研究了某型燃气轮机燃烧室掺混孔孔径比、相对孔距对出口温度场的影响.试验结果表明:随孔径比的增加,出口温度分布系数逐渐减小,但过大的孔径比易形成局部阻塞,使热点温度升高;孔径比对径向温度分布系数影响较小,仅使温度分布曲线位置移动而不会改变其形状.相对孔距与径向温度分布系数相关性较强,过大(大于0.33)、过小(小于0.29)均不利于掺混.该研究情况下,相对孔距为0.31、孔径比为0.32左右基本合理.      

涡轮叶片高温多轴低周疲劳/蠕变寿命研究

针对航空发动机涡轮转子叶片工作环境,对Manson-Coffin多轴疲劳预测方程和SWT(Smith-Waston-Topper)公式进行修正,同时采用尚德广多轴疲劳损伤参量,给出涡轮叶片新的疲劳寿命预测方法,以适应涡轮叶片高温变幅非比例加载下疲劳损伤情况.通过算例计算了某涡轮叶片疲劳寿命及1000 h的总损伤,与叶片实际疲劳破坏相吻合,验证该高温多轴疲劳损伤计算模型的合理性和可行性.      

某重型燃气轮机燃烧室出口温度场试验

应用高压试验台完成了某重型燃气轮机(E级)燃用天然气燃烧室出口温度场试验与调试.试验结果表明:设计工况燃烧室出口周向温度分布系数为0.253 8,径向温度分布系数为0.131 2,均未达到设计指标.通过调整火焰筒掺混孔尺寸及布局,增加射流深度及掺混强度,使周向温度分布系数降为0.216 4,径向温度分布系数降为0.089 7,接近设计指标,达到首台试车要求.试验成果对相关燃烧室的试验调试工作具有重要的指导和参考意义.      

温度场对转子系统响应特性影响的分析

建立了一个轴向可自由伸缩的单转子系统计算模型,采用有限元法分析了温度场对单转子系统响应特性的影响。参考发动机转子系统的加热对流的边界条件,利用 ANSYS 软件构造了该转子系统的瞬态温度场。分别在常温状态下和考虑温度场情况下,计算了转子系统的不平衡响应并进行了对比分析。结果表明,随着温度的升高,第三阶共振频率的相对误差最大达到11.2％。     

风速场模型对风-车-桥系统耦合振动特性影响研究

侧向风的作用会增大车—桥耦合振动系统的响应。本文将风、车、桥三者作为一个相互作用、协调工作的耦合振动系统,建立了风—车—桥系统空间耦合分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景,采用自行研发的桥梁结构分析软件BANSYS对比研究了不同风速场模型对车辆及桥梁动力响应的影响,剖析了自然大气中平均成份和脉动成份在耦合振动系统中的作用。分析结果表明,在风—车—桥系统耦合振动分析中,采用空间真实相关的脉动风速场是必要的。     

航空发动机稳态总体气动特性的逆向仿真研究

由于缺乏发动机稳态工作的气动参数数据,飞机/发动机气动一体化设计遇到了困难。为此对某型航空发动机的离散试车数据点进行了多元高次多项式拟合,建立了该型号发动机的稳态特性曲线。在此基础上进行了发动机的总体气动性能逆向仿真研究,建立了该型号发动机进出口气动参数随工况变化的关系曲线,为某型飞机的机体/发动机一体化气动设计提供了依据。      

某型钛铝合金航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验

以某型钛铝合金航空发动机叶片为研究对象,针对该型叶片高温高周振动疲劳实验时遇到的高温疲劳应力监测、高频激励等问题进行了实验方法研究。采用闭环控制最大应力的方法解决了高温疲劳应力的监测,通过夹具放大设计实现了高频激励,利用辐射加热和电磁振动台完成了温度载荷和振动载荷的综合施加。运用所述的高温高周振动疲劳实验方法,对该型叶片进行了寿命实验。实验的高温疲劳应力控制精度优于±2%,得到该型叶片可靠度为50%的中值疲劳极限是444 MPa,并有效获得了其寿命曲线。该实验方法适合航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验,并可为其他航空发动机零部件高温高周疲劳实验提供参考。