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。     

涡轮导向叶片热疲劳分析

某型涡扇发动机在进行地面性能试验时,高压涡轮导向叶片多台次出现了严重裂纹故障。本文以其失效分析为背景,推导出导向叶片瞬态温度场的计算方法,并对该导向叶片进行了瞬态温度场数值分析,进而得出导向叶片的瞬态热应力分布与热疲劳寿命的计算结果。同时对此故障产生的原因进行进一步的分析。分析的结果与该机地面性能试验数据基本吻合,因此,此分析过程可作为热疲劳寿命计算的借鉴。      

涡轮冷却叶片寿命可靠性分析参数化仿真平台

目前,涡轮冷却叶片等复杂结构的多模式寿命可靠性分析中存在各功能模块的集成与管理不成体系、参数化联合调用技术不完善的工程应用问题。针对这些问题,完善了随机不确定性下涡轮冷却叶片多模式寿命可靠性分析的工程化方法,搭建了多模式寿命可靠性分析的参数化、多软件联合仿真平台,为某型号叶片寿命可靠性分析提供合理的工程化方法及高效便捷的自动化实现工具。主要工作包括：一建立了不确定性环境下含孔、肋及空腔复杂结构网格划分和结构有限元仿真的参数化方法,实现了随机变量不同取值下仿真的自动执行,解决了可靠性理论方法应用至复杂工程结构的瓶颈问题;二在经回归处理的概率寿命曲线中考虑温度插值及多失效模式串联系统,拓展了概率寿命曲线的应用范围,使得所建涡轮叶片寿命可靠性模型更符合实际;三提出了可靠性分析数字模拟过程中嵌入包括有限元结构分析和疲劳寿命极限状态面两方面的双层自适应代理模型方法,该自适应策略可在保证寿命可靠性分析精度的基础上提高效率。通过所建平台在某型号叶片上的算例分析及与蒙特卡洛法参考解的对比,验证了所提多模式系统寿命可靠性分析工程化方法的高效和准确性及仿真平台的实用性。     

涡轮叶片与涡轮盘热弹塑性蠕变接触分析

利用大型通用结构分析程序APOLANS对某型航空发动机高压涡轮盘与叶片进行了热弹塑性蠕变接触分析, 并与轮盘热弹塑性蠕变分析结果进行了比较, 得出了一些有益的结论, 为涡轮盘、叶片的应力应变分析提供了一种较为准确的方法。      

某型航空发动机涡轮叶片再制造

采用SEM和EDS分析高压涡轮叶片冷却孔间裂纹的失效机理,发现引起裂纹的主要原因是作用在叶片上的热机械疲劳应力和局部应力集中所致,针对K417铸造高温等轴晶材料熔焊产生晶界裂纹和晶界液化裂纹机理,开发了微弧等离子低应力焊接技术,控制了焊接缺陷的产生,实现了冷却孔裂纹的高压涡轮叶片的再制造.     

含缺陷结构非概率可靠性分析方法研究

将基于分段描述的结构非概率可靠性模型引入含缺陷结构的可靠性分析,结合断裂判据,并用分段描述模型刻画未确知变量,实现了非概率的断裂力学分析,克服了概率断裂力学方法对原始数据要求高的局限和未确知信息区间均匀分布模型过于保守的缺陷,有效解决了含裂纹结构在小样本、贫信息场合的可靠性评定问题.通过算例,对文中方法的可行性和有效性...     

发动机低压涡轮工作叶片裂纹失效分析

针对某型发动机低压涡轮工作叶片出现裂纹故障进行失效分析.通过对故障叶片进行外观检查、断口分析、表面形貌检查、截面金相检查、材质分析及断口区域成分分析,并对叶冠工作面和非工作面的应力分布进行计算,确定了叶片裂纹性质和产生原因.实验结果表明:故障低压涡轮工作叶片叶冠工作面与非工作面裂纹为高周疲劳性质,导致叶片过早出现疲劳裂纹的主要原因是耐磨块尖部进入叶冠工作面和非工作面的转角应力集中区;同时叶片工作时产生的振动载荷也加速了疲劳裂纹的产生.最后提出了控制焊接过程中耐磨块与叶冠工作面和非工作面的尺寸,避免耐磨块尖部进入转角区域的改进建议.     

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。     

涡轮盘结构概率设计体系的研究

 基于涡轮盘结构确定性设计流程,将概率设计理念融入设计过程中,发展了涡轮盘结构的概率设计流程,初步建立了涡轮盘结构的概率设计体系。以涡轮盘结构的传统设计流程为基础,提出涡轮盘结构的概率设计准则,并建立了涡轮盘的概率设计流程。以某型航空发动机涡轮盘低循环疲劳失效为例,按照文中建立的概率设计流程,将形状优化设计结果作为初始结构方案完成了涡轮盘的低循环疲劳概率设计。通过与原设计结果对比表明,按照概率设计观点进行涡轮盘的结构设计能够兼顾结构静强度性能和结构强度可靠性,在满足可靠度的前提下降低涡轮盘的质量,有效地提高其设计质量,初步验证了涡轮盘概率设计流程的有效性和可行性。     

基于失效概率的涡轮后机匣全局灵敏度分析

涡轮后机匣是航空发动机安全的关键部件,但是其具有工况复杂、不确定性因素多的缺点。为了探究输入随机变量的不确定性对涡轮后机匣结构失效概率的影响,建立参数化有限元模型进行确定性分析。考虑材料性能、几何参数及外部载荷的不确定性,对涡轮后机匣两种典型失效模式：强度失效以及刚度失效建立极限状态函数;通过构造自适应Kriging 代理模型并结合重要抽样方法评估涡轮后机匣结构失效概率,利用基于失效概率的全局灵敏度方法对涡轮后机匣结构可靠度的不确定性来源进行分析,对各输入随机变量重要性进行排序,构建一种涡轮后机匣全局灵敏度分析框架。结果表明：涡轮后机匣在两种失效模式以及系统失效模式下,发动机推力以及线性膨胀系数对结构失效概率影响最为显著,应对其重点考虑;内外机匣长度以及材料弹性模量对涡轮后机匣结构失效概率影响较小,可对其适当忽略。     

航天飞机主发动机高压燃料涡轮泵的故障模式

对航天飞机主发动机(SSME)高压燃料涡轮泵(HPFTP)的故障模式作了归纳总结,深入分析了HPFTP关键部件故障的问题及其解决办法.研究表明:①SSME的HPFTP故障模式与一次性使用液体火箭发动机液氢涡轮泵、航空燃气涡轮的故障模式存在很大的差异;②影响HPFTP寿命的重要故障模式是涡轮叶片的断裂与热防护装置的热机械疲劳故障;涡轮叶片的断裂主要由高温蠕变效应与高速旋转离心力所引起.HPFTP启动、关机瞬态效应对涡轮叶片的影响也很严重,在涡轮叶片寿命预估时必须考虑这些因素;③HPFTP次同步振动问题是SSME HPFTP设计初期面临的一个重要故障模式,主要由轴承与泵级间密封引起的;④启动隔离密封这类HPFTP专有密封件的故障模式也是HPFTP故障模式的重要组成部分.      

竞争风险模型下变环境的发动机叶片可靠性分析

针对航空发动机转子叶片的恶劣工况导致其存在多种故障模式,各种故障的失效与使用环境紧密关联,给航空发动机转子叶片的可靠性分析或风险控制带来了难度这一问题,从转子叶片的磨损和裂纹两种主要故障模式特点出发,研究了变环境下的转子叶片磨损故障模型和疲劳裂纹故障模型,提出了一种基于竞争风险模型的转子叶片可靠性分析方法,并给出了求解算法；以某高压涡轮转子叶片为例进行了分析研究.结果表明:在可靠性分析中采用单个故障模型比竞争风险模型风险更大；且在竞争风险模型下,如果不考虑推力环境的影响,以不可靠度要求0.1为例,相应风险增加了33%,验证了所提方法的实用性.      

宽弦空心风扇转子叶片叶身结构设计参数分析

对空心叶片模型型腔和加强筋结构设计参数进行了分析;考虑到制造工艺可行性,采用ANSYS有限元软件对空心叶片模型进行了建模及应力分析。分析结果表明,加强筋数量增加,或加强筋与蒙皮厚度比增大,或加强筋扩散连接区域与非连接区域长度比增大,对蒙皮最大应力值影响不大,但对加强筋最大应力值影响较大。     

涡轮冷却叶片热-固耦合分析与优化设计

根据涡轮冷却叶片热-固耦合分析和基于遗传算法-有限元的涡轮叶片优化设计方法,发展了涡轮冷却叶片热-固一体化优化设计方法.以某航空发动机涡轮转子叶片为原型,分析了冷却孔的位置、形状(圆形和四边形)、大小和数量对热应力与冷却效果的影响.结果表明,该方法能有效地降低涡轮叶片的应力、改善其冷却效果;四边形孔具有更好的冷却效果和更低的最大应力;随着冷却孔大小和数量的增加,最高温度下降,而最大应力上升.      

某涡喷发动机涡轮导向器的热应力分析

应用有限元方法建立了某涡轮喷气发动机涡轮导向器有限元计算模型,根据实测的温度边界条件计算了涡轮导向器温度分布,在此基础上对涡轮导向器进行了热应力分析。其结果为涡轮导向器叶片设计改进提供了依据。     

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。     

基于显微组织演变的涡轮叶片损伤分析

涡轮叶片作为航空发动机和燃气轮机重要的热端部件,在复杂温度场、应力场及氧化腐蚀等环境下工作,面临多种损伤失效风险。为了阐明涡轮叶片涂层损伤模式,总结了现阶段涡轮叶片涂层工艺、特点及其显微组织构成。在结合叶片材料热力耦合试验中相的演变规律研究成果基础上,对服役不同时间和类型的涡轮叶片基体和涂层系统的显微组织进行分析,并与原始组织对比;确定了各种服役组织损伤形式,主要包括涂层系统退化、原始缺陷导致的裂纹扩展、过热损伤及γ′相的退化等;初步给出了涡轮叶片损伤机理和服役环境评估,提出后期涡轮叶片工程化应开展的研究工作和注意事项,从而实现由服役叶片失效后分析向使用前预防的转变,完善涡轮叶片正向设计体系。     

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