陶瓷基复合材料力学性能计算及涡轮导叶宏观响应分析方法

针对涡轮导叶宏观热力学响应,将化学气相沉积工艺2D编织SiCf /SiC陶瓷基复合材料完成拉伸试验并将该试件进行分 割,对分割后的试样进行断面电镜扫描,测量统计细观编织结构参数,建立考虑缺陷位置和形状的代表性体积单元模型。采用细 观有限元方法,应用该模型计算得到SiCf /SiC陶瓷基复合材料的宏观弹性常数。结果表明：面内拉伸模量预测值比试验值低 4.4%,剪切模量预测值比试验值高7.8%。结合陶瓷基复合材料涡轮导叶的加工工艺,建立了材料分布映射模型,对导叶典型特征 结构件在给定热载荷下的宏观响应进行预测。结果表明：涡轮导叶典型结构加热段尾缘第1主应变预测值比试验值低5.5%。     

典型涡扇发动机陶瓷基复合材料涡轮叶片概念设计

为了推动先进航空发动机陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮叶片设计技术进步,以典型涡扇发动机基准性能参数为原始数据,按照涡轮叶片正向设计流程,从气动设计,到结构设计,再到变形及强度分析,梳理出以材料强度为约束,发动机推力和耗油率为输入值,涡轮叶片叶身模型为结果的概念设计方法。设计了一种陶瓷基复合材料低压涡轮转子叶片,该叶片实心无冷却,设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果满足设计要求。安全储备系数可达1.8,涡轮盘外载预估减少50%,验证了陶瓷基复合材料用于先进航空发动机热端部件的可行性。涡轮效率提高0.98%～1.17%表明陶瓷基复合材料具有提升先进航空发动机热端部件性能的潜力。     

热斑在1-1/2级涡轮内的非定常迁移数值模拟

对典型的1-1/2级高压涡轮叶栅,通过求解二维非定常N-S方程研究了燃烧室出口热斑对涡轮一级动叶和二级导叶流场和温度场的非定常影响。计算表明热斑的存在对涡轮级型面时均压力的影响微小,但是会显著地增大一级动叶和二级导叶型面压力随时间波动的幅度。计算印证了热斑会导致涡轮一级动叶压力面严重过热的结论,并显示在二级导叶上会出现与一级动叶类似的压力面过热现象。      

无导叶对转涡轮气动设计技术

采用先进的无导叶对转涡轮气动布局是提升航空发动机性能最为有效的措施之一。结合无导叶对转涡轮高压涡轮动叶进出口轴向速度变化较大等特点,采用理论分析等研究了对转涡轮基元速度三角形参数的优化选取方法,并给出了高压涡轮导叶、动叶出口气流角等变化对效率影响的详细变化关系。流量系数小、高压动叶出口气流角大以及高压动叶进出口轴向速度比大是设计满足出功比高效率对转涡轮的关键。而采用Bezier曲线造型的收敛-扩散叶型叶背曲率的控制、尾缘半径的选择、叶型出口面积与几何喉道面积之比等则是设计适合出口马赫数1.5～1.6高性能叶型的关键。     

陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用及热分析研究进展

陶瓷基复合材料(CMC)具有密度低、耐高温的优异特性而被视为新一代航空发动机的战略热结构材料,其制备工艺、性能设计及其在燃烧室和涡轮等热端部件的应用已成为现阶段航空发动机研究领域的热点.然而,由于编织特征导致的各向异性特性,给CMC在热端部件的应用和加工带来巨大挑战.本文总结了有关陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的...     

弯曲/倾斜叶片对大展弦比涡轮气动性能影响

为了获得弯曲/倾斜导叶对大展弦比低压涡轮气动性能的影响,通过求解基于耦合转捩SST湍流模型的雷诺平均N-S方程组,对GE-E3低压涡轮叶栅的进行了全三维粘性定常与非定常数值模拟。研究了弯曲/倾斜导叶对涡轮级效率的影响,分析了对导叶叶栅气动性能、导叶扩散因子与边界层发展的作用,以及对下游动叶气动性能和动叶吸力面流动特性的影响。结果表明,正弯导叶减小了二次流损失却带了更大的叶型损失,降低了涡轮级效率,而正倾斜改变了上下端壁的二次流损失分配,对总的叶型损失影响较小,在一定角度下能够改善大展弦比涡轮叶栅的气动性能。     

陶瓷基复合材料在欧美军民用航空发动机上的发展

陶瓷基复合材料作为航空发动机候选材料之一,具有广泛的应用前景,本文主要概述了陶瓷基复合材料在欧美军民用航空发动机尾喷口、燃烧室和涡轮等热端部件方面的发展和应用。     

高可靠度TC17基复合材料叶环破裂转速预测技术研究

为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明：复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。     

先进材料在战斗机发动机上的应用与研究趋势

美国、英国等国家特别重视战斗机发动机材料的发展,通过制订和实施一系列先进材料研究计划,开发和验证轻质高强度材料,为发动机研制提供技术保障.综述各国现役、在研和预研战斗机发动机的材料应用情况,总结树脂基复合材料、钛基复合材料、钛铝金属间化合物、单晶高温合金、粉末高温合金、陶瓷基复合材料、陶瓷热障涂层等材料及其工艺应用趋势.先进材料研究的发展趋势:①向低密度高强度发展,以减轻质量;②向高强度与高耐温能力发展,以提高涡轮进口温度;③向一体化(材料、工艺与结构设计)发展,以实现材料特性与结构的最优组合.     

耐高温陶瓷基结构吸波复合材料研究进展

陶瓷基结构吸波复合材料具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化等诸多优点,是解决武器装备热端隐身问题的关键材料,具有重要应用前景和战略意义。本文介绍了陶瓷吸波材料的微观-宏观多级设计方法,综述了掺杂改性碳化硅陶瓷、钡铁氧体陶瓷、聚合物转化陶瓷(PDCs)、3D打印多孔陶瓷及陶瓷蜂窝、连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCMC)等新型陶瓷基复合材料的最新研究进展,展望了结构吸波一体化的陶瓷基复合材料的发展趋势,提出微观-宏观多级结构设计的纤维增强陶瓷基复合材料将是未来高温隐身材料领域的重要发展方向。     

各向异性陶瓷基复合材料涡轮叶片概率性热分析方法

考虑陶瓷基复合材料等纤维增韧复合材料导热系数的各向异性及分散性，建立了基于概率统计的陶瓷基复合材料涡轮叶片热分析方法。研究中以Mark Ⅱ涡轮叶片冷却结构为例，综合利用有限元方法和蒙特卡洛方法，分析了应用陶瓷基复合材料后的温度场均值和波动特性。计算中将导热系数作为随机输入参数，分析了导热系数各向异性及其分散度对叶片前缘滞止点温度、尾缘温度以及高温区域（T>900K）面积的影响。计算中发现在本文的计算工况下,考虑导热系数存在正态波动情况时，叶片前缘滞止点、尾缘温度波动也满足正态分布。前缘滞止点温度在导热系数变异系数为01,导热系数比为2时其温度波动最大，相比12731K的均温，有16%的概率超温913K。尾缘温度在导热系数变异系数为01，导热系数比为10时波动最大，有16%的概率超过均值11529K达527K。计算结果表明:导热系数分散度所带来的波动，会导致叶片内部高温关注区域（T>900K）的面积增大，并且高温关注区域相对增加量ΔShot随导热系数变异系数α的增加而增加。计算结果表明，高温关注区域相对增加量最大发生在导热系数比为2，变异系数为0.1时，此时ΔShot=4.8%。      

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.      

复杂边界条件下的多层多孔壁温度场的计算模型

经过推导给出了具有孔内和内外表面对流换热及外表面热辐射复杂边界条件下的多层多孔壁温度场的计算模型,并以具有陶瓷隔热涂层的全气膜覆盖气冷叶片为例进行了温度场计算。计算结果表明：陶瓷涂层具有明显的隔热效果,并可明显地减小冷却空气用量;燃气温度对壁温影响较大;考虑热辐射将更加符合实际物理过程;对于涡轮叶片若不考虑热辐射将低估壁温 1. ５％ ～3. ５％ 。该模型可用于多层多孔壁冷却结构形式的发动机高温部件的优化设计。     

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机上的应用

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)具有低密度、高强高模、耐高温抗氧化、抗蠕变、抗热冲击、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等性能优点,在航空发动机上具有巨大的应用潜力。从碳化硅纤维、制备工艺、界面相和涂层等方面综述了国内外SiC/SiC CMC的发展现状,并基于SiC/SiC CMC的性能特点对其在航空发动机燃烧室火焰筒、混合器、涡轮罩环/静子叶片/转子叶片、喷管调节片等热端部件上的应用情况进行了介绍。     

热辐射对气膜冷却叶片冷却性能影响

针对一种带有气膜冷却结构的涡轮一级导向叶片进行气-固-热耦合数值模拟,通过比较考虑/不考虑热辐射的温比和综合冷却效率,分析了多种辐射因素对叶片表面温度和冷却性能的影响。结果表明:入口黑体辐射温度在1200~1900K之间,叶片表面发射率在0.3~0.7之间时,考虑热辐射作用均会使叶片表面温度明显上升。入口黑体辐射温度1600K,叶片表面发射率为0.5时,叶片压力面温度整体上升约100K,叶片表面最高温度点（1350K）温度上升约50K;气体辐射对叶片吸力面和尾缘区域造成5%左右的温升;考虑辐射作用使得叶片综合冷却效率下降,叶片前缘和压力面尽管布置密集的气膜孔仍然难以满足冷却需求,综合冷却效率下降至0.3以下。      

轴向收敛造型对燃气涡轮叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为有效评估轴向收敛造型对端壁气膜冷却性能的影响,数值研究了不同吹风比下,轴向收敛造型对跨声速燃气涡轮叶栅端壁上游双排离散孔绝热气膜冷却效率的影响。模拟某工业燃气涡轮真实运行工况（进口湍流度为16%、出口马赫数为0.85、出口雷诺数为1.5×106）,采用基于“两类热边界条件”模型的壁面传热系数和绝热冷却效率数值预测方法,比较分析了3种吹风比（1.0、2.5、3.5）下,简化平板端壁结构和轴向收敛造型端壁结构的端壁热负荷分布、绝热气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构,以及端壁上游气膜孔射流对叶片表面的二次冷却作用（幻影冷却）。结果表明:轴向收敛造型可以削弱马蹄涡强度,降低端壁热负荷,尤其是叶片肩部区域;轴向收敛造型可以显著增加端壁气膜覆盖范围和绝热气膜冷却效率,尤其在叶片前缘和压力面等难以冷却区域;随吹风比增加,轴向收敛造型对端壁气膜冷却特性的影响效果先增加后减小,在设计吹风比为2.5时,轴向收敛造型对端壁绝热气膜冷却效率的增强效果最显著（增加约35%）;轴向收敛造型显著增加叶片前缘和压力面幻影冷却面积,尤其是叶片前缘附近面积增加约100%（设计吹风比下,冷却区域达0.1倍叶高）,可有效减小叶片冷却的冷气需求流量。轴对称收敛端壁造型是进一步提高燃气涡轮叶栅端壁绝热气膜冷却效率、减小冷气流量,实现端壁高效冷却布局的有效技术途径。      

重载下可倾瓦推力轴承的热弹流润滑特性分析

建立了可倾瓦推力轴承的热弹流润滑（TEHD）模型,应用Newton-Raphson迭代法求解,研究了弹性变形、热变形和载荷对油膜静动态特性的影响。结果表明:弹性变形会减弱油膜动压效应,而热变形会增强油膜动压效应;随外载荷增大热变形对轴承静动态特性的影响逐渐减弱而弹性变形的影响更加显著,重载条件下弹性变形的影响更为敏感。考虑轴承材料抗压性能和抗高温性能对可倾瓦推力轴承静动态特性的影响,对优化推力轴承设计、保证其稳定性和安全性具有重要意义。      

Calculation of the thermostressed state of a turbine nozzle vane

We present a technique and results of calculating the cooling air pressure and flowrate in the turbine nozzle deflector vane duct, coefficients of heat transfer through air and from gas taking into account the influence of an air film heated in the perforation holes as well as temperature and thermal stresses in the vane elements and its thermal barrier coating in the GTE takeoff operational conditions. The effect of oval grooves in the coating behind the holes in the gas flow downstream direction and possible cracking of material on the thermal stress distribution in metal is considered.     

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。