涡轮导向叶片热冲击数值模拟研究

研究热冲击作用下涡轮导向叶片的热应力及振动模态,旨在从热-结构影响角度揭示静子叶片损伤机理,对其热疲劳寿命分析及抗热疲劳设计具有重要意义。基于瞬态热/流耦合理论,采用有限元/边界元方法,实现某型航空发动机涡轮导向叶片在热冲击作用下的温度场计算,在此基础上求解出叶片的热应力及振动模态。研究表明,采用瞬态流/热耦合可以有效预测叶片的温度分布,其结果与试验误差为6%;依据计算所得热应力及模态振型,可以推断出叶片出现热损伤的位置,且与实验结果吻合较好;根据数值模拟结果,固有频率随温度的升高而下降,前六阶频率平均下降24.7%。     

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.      

锯齿冠叶片瞬态热应力模拟试验

锯齿冠涡轮叶片在发动机起动过程中会产生较大的热应力。这种热应力与离心应力、气动应力合成的综合应力可能引起涡轮叶片的低循环疲劳失效。建立了瞬态温度场的热传导、热弹性相似关系 ,通过满足热相似条件的热模拟试验 ,分析了某型锯齿冠涡轮叶片在发动机起动过程的瞬态热应变和热应力 ,其结果为分析该型叶片的低循环疲劳失效原因提供了依据 ,同时讨论了叶冠结构因素对热应力的影响。     

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

某发动机低压压气机2级转子叶片改型研究

对在外场多次发生断裂故障的某发动机低压压气机2级转子叶片进行分析，提出了对该级叶片改型加厚的设计方案。通过对改型后压气机气动性能及叶片自振频率和应力变化等进行计算，并对叶片进行疲劳试验，掌握了叶片改型后应力下降和寿命增长的规律，提高了叶片的疲劳寿命和抗损伤能力，可降低叶片断裂故障率。     

一种单晶涡轮叶片热机械疲劳寿命评估方法

针对单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)问题,围绕单晶涡轮叶片TMF试验,结合单晶变形、损伤理论及数值模拟,建立了一套单晶涡轮叶片TMF寿命评估方法.利用空心气冷涡轮叶片TMF试验系统,对单晶涡轮片考核截面在服役条件下所产生的交变应力场和交变温度场进行模拟,确定了裂纹萌生部位及其TMF寿命.考虑单晶涡轮叶片变形和损伤行为的特征,分别建立了基于滑移系的Walker黏塑性本构模型和基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型.利用上述本构和寿命模型,完成了单晶涡轮叶片TMF试验的数值模拟.结果表明:叶片理论危险点与试验结果一致,且计算寿命基本落在试验寿命的3倍分散带内.      

某型发动机风扇二级叶片/盘疲劳寿命研究

对某发动机风扇二级叶片/盘疲劳寿命进行了理论计算和试验研究。应用Ansys软件建立了该发动机风扇二级叶片振动分析有限元计算模型,并对其一阶弯曲共振时的应力分布进行有限元数值仿真分析,得到了叶尖振幅与叶背应力的关系;基于一阶弯曲共振模态,对叶片进行了疲劳寿命试验,获得了改型前后叶片的疲劳寿命。建立了轮盘应力分析有限元模型,计算得到了轮盘的应力分布,并以此应力分布为基础,计算得到了轮盘的疲劳寿命。研究结果表明:改型前后,叶片的疲劳寿命增大了4.1倍;叶片改型前后,无论是大间隙还是小间隙,改型后盘的疲劳寿命较改型前有所下降,但改型前后盘的疲劳寿命均满足设计要求。     

TMF本构和寿命模型:从光棒到涡轮叶片

针对空心涡轮叶片，发展了考虑瞬态变温效应的热机械疲劳（TMF）本构模型和寿命预测方法。第一，以某涡轮叶片用定向凝固合金DZ125为对象，开展了光棒、缺口TMF试验，结合已有的高温疲劳试验数据，获得了相位、温度范围、应力集中等因素对TMF寿命影响规律；第二，利用材料微观组织分析手段，揭示了导致光棒和缺口TMF失效的疲劳裂纹萌生机理；第三，借助于Chaboche本构模型，进行了各向异性、变温、蠕变损伤修正，建立了考虑变温效应的循环-蠕变本构模型，实现了DZ125合金拉伸、等温循环、蠕变、疲劳-蠕变以及TMF应力应变响应的统一建模和预测；第四，发展了疲劳-蠕变-氧化损伤累积的TMF寿命模型，利用简单纯疲劳和蠕变基础数据获得了寿命模型参数，并进一步发展了名义应力法预测了缺口模拟件的TMF寿命；最后，以某涡轮叶片为对象，进行了模拟飞行载荷谱条件下的瞬态变形响应计算和叶片TMF寿命预测。     

修理工艺对K403榫头渗铝叶片疲劳性能的影响

某型航空发动机涡轮叶片榫头渗铝,导致叶片疲劳性能下降,无法满足使用要求。为了提高叶片的疲劳性能,设计了修理工艺,对修复后的叶片进行硬度检测、振动疲劳试验和疲劳断口金相分析,以研究修理工艺对叶片硬度影响层深度、振动疲劳寿命和裂纹萌生扩展的影响,试验结果证明了修复后叶片的疲劳寿命满足使用要求。     

平板构件的高低周复合疲劳研究

本文介绍了一种能模拟工作叶片真实载荷环境的复合疲劳试验机,并在此试验机上进行了一系列不同载荷匹配,不同频率匹配的复合疲劳试验研究。根据试验结果及理论分析,初步揭示了这种复合疲劳的一些主要特征和规律,提出相应的寿命分析方法,按照这种方法的计算结果能够较好地符合试验结果。本文提出的方法和结论可以用于航空发动机工作叶片的寿命分析。      

涡扇发动机涡轮导向器故障分析

从故障检测、流场和温度场的计算以及强度分析四个方面,对某型涡轮风扇发动机高压涡轮导向器进行了全面的研究。确定了导向叶片的故障起因为超温过烧,从而提供了相应的排故措施。由目前正在进行的试验验证工作来看,改进措施的效果非常理想。     

用有限元法计算边界移动的喷管温度场

以固体火箭发动机复合结构喷管为对象，用有限元法进行了二维轴对称瞬态热分析。计算中考虑了因烧蚀引起的边界移动．且实现了网格的自适应，给出了考虑与不考虑烧蚀情况下的温度场计算结果，并将计算结果与试验结果做了比较，二者吻合较好，说明该预估方法既具有理论意义又有实用价值。     

分区和有限容积法计算长尾喷管中的湍流流动

为了给长尾喷管热防护结构设计提供热边界条件，从轴对称二维雷诺平均N－S方程出发，采用分区算法和有限容积法计算了长尾喷管中的湍流流动，分析了流场的结构特性，提出了长尾喷管中燃气温度，压强和马赫数分布的某些规律以及燃气温度沿壁面的分布，计算和分析结果提出了长尾喷管热防护结构设计应注意的事项。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

硅基内衬喷管扩张段烧蚀和温度场的耦合计算方法

本文叙述固体火箭喷管扩张段硅基内衬烧蚀和温度场的耦合计算方法.烧蚀采用非定常的液体层烧蚀模型;温度场计算采用圆柱坐标系下的一维径向瞬态导热模型,考虑材料在高温下形成的炭化层和热解层,而由烧蚀产生的边界移动问题用坐标变换的方法处理.利用烧蚀和导热计算方程组中二者的结合部,通过充分耦合,获得了更准确的预示计算结果.     

定向凝固高温合金涡轮冷却叶片的热应力分析

1 引言 现代航空发动机的燃气温度愈来愈高,涡轮叶片采用复杂的冷却结构和耐高温的各向异性材料。在发动机工作状态循环变化中,将引起热疲劳损伤。所以,必须对涡轮叶片中周期性变化的热应力进行分析。由于其结构形状复杂,采用有限元素法进行分析是一种有效的方法。如对整个叶片进行瞬态温度场和各个瞬间的应力场进行分析,将需要很大的内     

航空发动机过渡态典型热端部件热响应分析

为满足航空发动机方案设计阶段结构分析及强度寿命评估的要求,必须提供相关零件稳态和过渡态热状态数据。应用1维解析方法和数值方法分别对薄壁类和轴对称缘盘类热端部件进行了过渡态热状态计算分析,得到带涂层叶片、盘及机匣平均温度随发动机状态的变化,并依此分别进行了各零件热响应分析;由热响应分析结果得到了高压涡轮转子和机匣过渡态热伸长量,并进行了过渡态的热间隙分析,为结构分析提供输入;计算结果与采用ANSYS软件计算的结果偏差普遍在3%以内,说明计算方法合理,可适用于方案设计阶段过渡态热端部件热状态计算。     

波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能影响

依据某型涡扇发动机波瓣S型混合二元喷管,保持波瓣混合器长度、内扩张角、外扩张角以及宽高比不变,依次取波瓣混合器波瓣数为12,14,16,18,20,建立了一组具有不同波瓣数的波瓣S型混合二元喷管模型.采用经过验证的CFD方法,研究了波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能的影响规律.结果表明:在波瓣尾缘截面至第1个S弯截面区域,波瓣数对流体混合程度产生很大影响,并且热混合效率近乎随波瓣数增加而增加.在第1个S弯截面至波瓣S型混合二元喷管出口截面区域,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的总压恢复系数始终最低,其余模型的总压恢复系数以及热混合效率没有明显差别.在波瓣S型混合二元喷管出口截面上,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的热混合效率最高,达到0.850,然而其总压恢复系数相对于该截面上最高值下降了0.289%.此外,波瓣S型混合二元喷管的渐缩型流道能够提高流向涡强迫混合效果,但同时也加速流向涡的耗散速率.      

高温燃气流风洞非稳态运行过程实验和数值模拟研究

针对热考核用高温燃气流风洞运行过程中的非稳态过程开展研究，采用风洞实验与数值计算相结合的方法研究了风洞整体起动、扩压器背压抬升、关机三种过程中喷管、实验舱和扩压器内瞬态流动特性。实验结果揭示了燃气风洞诸多有趣的瞬态现象，且披露了一手实验数据。而通过数值计算能较好地复现上述瞬态现象；借助数值计算能合理地解释试验现象产生的原因；还能捕捉实验中无法观测到的现象；此外还评估了该风洞扩压器的抗反压裕度在10kPa以上。因此，数值方法是研究大型燃气风洞瞬态流动特性最重要的辅助手段。该研究可为类似风洞运行调试提供借鉴，并为风洞实际运行提供数据支撑。     

固体火箭发动机反向喷管推力终止技术

本文讨论了打开反向喷管时推力终止过程的燃烧室压力衰减和推力瞬变的计算方法。对理论计算与试验结果进行比较,表明经过修正的理论计算结果与试验结果符合得较好。