基于iSIGHT的涡轮叶片叶冠优化设计

在建立起某型发动机涡轮叶片叶冠参数化模型的基础上,以iSIGHT为优化平台,集成了结构建模和计算分析软件,构建并实现了涡轮叶冠优化设计流程.依据该方法,成功实现了在保证涡轮叶冠结构强度的前提下降低质量1.0%以上的目标.此外,通过对涡轮叶冠部分参数组合的研究,得到了阻尼面与发动机轴线夹角α与阻尼面压应力之间的关系.该研...     

锯齿冠低压涡轮工作叶片叶冠防错位设计方法

针对锯齿冠低压涡轮工作叶片在使用过程中发生的叶冠错位故障,在综合分析各次叶冠错位故障发生原因的基础上,总结了锯齿冠低压涡轮工作叶片叶冠错位模式,绘制了模式图,并针对各种叶冠错位模式提出了1套完整的锯齿冠低压涡轮工作叶片预防叶冠错位的设计方法。在2型发动机上进行应用的结果表明,本方法是切实可行的。     

基于拓扑优化的曲边轮廓锯齿叶冠结构设计

针对轻质异形冠结构设计问题,提出了基于结构强度和振动分析的锯齿叶冠轮廓切除原则,采用拓扑优化确定了锯齿叶冠2维切除线,通过有限元计算得出叶冠优化后对叶盘结构典型部位应力水平、振动特性的影响。静强度计算结果表明:叶冠优化后在叶身与上、下缘板连接处Von-Mises应力分别降低16.1%、5.6%,在叶冠"Z"形凹口处Von-Mises应力降低24.5%,去除的叶冠质量占叶片质量的2.4%;模态分析和谐响应分析结果表明:叶冠优化后对叶盘结构振动特性不产生负面影响,保证了叶冠的阻尼减振作用。     

高负荷涡轮叶冠泄漏损失来源分析(英文)

高性能燃气轮机的发展迫切要求对涡轮内部损失来源及其物理机制有更清楚的认识。采用带冠设计的涡轮中,气动损失的很大一部分来自叶冠的泄漏流动。为了深入分析叶冠泄漏损失对涡轮性能的影响,选取高负荷涡轮,采用带有掺混面模型的三维定常计算方法和熵增的分析方法来研究叶冠泄漏的损失来源和损失机理。计算中考虑了详细的叶冠几何结构,打破了经验公式在模拟叶冠泄漏流时的局限性。结果表明,带冠涡轮比不带冠涡轮的气动效率高出约0.9%。叶冠泄漏所带来的损失主要分为腔体损失、泄漏损失、掺混损失和攻角损失四个部分,这四种损失来源在不同间隙下所占比例并不相同。因此,考虑完整的叶冠几何结构对涡轮性能的预测和气动设计至关重要。     

带冠涡轮叶片干摩擦阻尼减振试验研究

为验证某型真实带冠涡轮叶片叶冠干摩擦阻尼减振效果,本文建立了可实现正压力连续调节的非旋转状态涡轮叶片试验系统,对不同接触紧度、不同接触角度的真实带冠涡轮叶片的振动响应进行了测试。通过试验分析了叶冠接触面紧度、接触角度等重要参数对带冠叶片振动特性和减振效果的影响规律,结果表明：带冠涡轮叶片出现了明显的非线性现象,同时存在一个最优的接触紧度使得该带冠涡轮叶片的减振效果最佳。接触角度的选取应综合考虑叶冠振动能量的消耗能力和带冠涡轮叶片共振频率的稳定性。     

涡轮叶片冷却设计优化方法研究

针对某型发动机高压涡轮工作叶片,采用试验设计方法,通过对内腔边界条件的主效应分析,对涡轮叶片截面温度分布进行优化。同时,对影响叶片内腔不同流动与换热类型的冷却结构元件换热系数的几何参数进行敏度分析。最后通过综合优化,获得在原设计基础上的优化结果。结果表明,该方法可以把原设计的截面最大温差有效降低。另外,通过对涡轮叶片冷却设计优化方法的探索,还获得了影响叶片冷却设计结果的参数关系曲线,该方法及结果可在涡轮叶片冷却设计时参考使用。     

航空发动机初步设计阶段涡轮流道多学科优化设计分析方法

针对航空发动机涡轮初步设计阶段,在完成气动流道初步设计的前提下,综合考虑气动流道与叶片轮盘关键结构特征的制约和平衡关系,建立了关于高压涡轮气动流道和转子强度分析的多学科优化模型,进行了以气动流道效率和转子结构质量为目标函数的涡轮流道多学科多目标优化,优化后涡轮转子最大径向应力和最大周向应力分别下降4.62%和10.63%,同时危险截面处的平均径向应力和周向应力也分别下降了42.99%和3%,使涡轮部件气动和结构强度的多学科综合性能提高3.41%.     

定向凝固涡轮叶片不同部位材料持久强度差异

为了研究定向凝固涡轮叶片因不同部位显微组织不同而引起的宏观持久强度的差异,根据典型涡轮叶片几何特征,设计了两类叶片模拟件(缘板、叶冠模拟件)和对比试件(标准平板试件),开展了持久试验及对比研究,试验结果表明:缘板、叶冠模拟件的持久寿命分别为对比试件持久寿命的94.22%和75.65%.这说明了定向凝固涡轮叶片不同部位的持久强度存在差异,这种差异需要在定向凝固涡轮叶片结构、寿命设计中加以考虑.研究结果对提高定向凝固涡轮叶片设计水平、改进定向凝固成形工艺具有重要意义.      

某型航空发动机锯齿冠涡轮叶片叶冠间隙扩展规律研究

以某型航空发动机锯齿冠涡轮叶片实际外场叶冠间隙监控数据为统计样本,开展了叶片叶冠间隙扩展规律的统计分析与研究,包括叶冠间隙扩展典型规律和扩展速率的统计分析,松动叶片数量与叶冠间隙的对应关系以及叶冠出现间隙的发动机使用情况的统计分析。结果表明:叶冠间隙存在稳态扩展和异常扩展阶段,且松动叶片数量与叶冠总间隙之间存在一定的比例关系,可为叶冠间隙外场监控提供参考和依据。     

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。     

基于代理模型的运载器头罩外形优化设计

引入Kriging代理模型,选取若干不同头罩外形的运载器,进行气动性能分析,利用运载器气动性能参数作为拟合样本建立代理模型.以具有足够精度的代理模型替代CFD分析,发展了一种基于代理模型的运载器头罩外形优化设计方法.在马赫数为3、飞行攻角为3°、飞行高度为8km条件下,利用该方法对运载器进行最小阻力系数、最大纵向压心系数的单目标优化和综合考虑上述2个目标的多目标优化.结果表明:2个目标存在冲突,为同时兼顾减小阻力和增强纵向稳定性,必须对运载器头罩外形进行多目标优化,得到的外形阻力系数减小了1.95%,纵向压心系数增大了5.93%,采用基于代理模型的优化设计方法能在保证精度条件下有效提高计算效率.      

Interactive Multi-objective Optimization Design for the Pylon Structure of an Airplane

The pylon structure of an airplane is very complex, and its high-fidelity analysis is quite time-consuming. If posterior preference optimization algorithm is used to solve this problem, the huge time consumption will be unacceptable in engineering practice due to the large amount of evaluation needed for the algorithm. So, a new interactive optimization algorithm-interactive multi-objective particle swarm optimization （IMOPSO） is presented. IMOPSO is efficient, simple and operable. The decision-maker can expediently determine the accurate preference in IMOPSO. IMOPSO is used to perform the pylon structure optimization design of an airplane, and a satisfactory design is achieved after only 12 generations of IMOPSO evolutions. Compared with original design, the maximum displacement of the satisfactory design is reduced, and the mass of the satisfactory design is decreased for 22%.     

涡轮盘关键部位多圆弧设计及多变量优化

为得到质量最低且满足设计准则要求的涡轮盘结构形式，研究了多圆弧过渡对涡轮盘关键部位应力的影响。提出了双圆弧和三圆弧结构设计方案并推导了几何关系，为过渡圆弧的改进与优化提供了理论上的支持。通过有限元计算，获得了多圆弧结构参数对涡轮盘应力的影响规律。基于ANSYS Workbench优化平台及参数化建模技术，筛选了优化设计变量，以涡轮盘总质量最小为优化目标，以等效应力为约束对涡轮盘关键部位进行了多变量优化。结果表明:经过优化设计，两个关键部位的最大应力分别降低662%和11.40%，涡轮盘的质量减小0.16%。本文的研究结果为涡轮盘的多圆弧设计和工程应用提供了有益参考。      

基于双循环的涡轮叶冠多学科设计优化

针对经典的多学科设计可行方法(MDF)的低效率问题,开展了利用可变复杂度建模方法改进MDF策略的研究.以涡轮叶冠为对象,综合考虑优化精度和优化效率,利用响应面方法近似高精度分析,简化计算难度,提高优化效率;合理引入可变复杂度建模方法,通过双循环结构优化策略周期性地调用高精度分析更新响应面方程来保证优化精度.基于双循环的涡轮叶冠多学科优化设计(MDO)表明,优化设计目标降低了1.4%,明显好于经典MDF策略(0.97%),整个优化策略共耗时2h39min,仅是经典MDF的优化时间的1/3.     

多孔喷管降低引射喷管噪声的实验研究

以多孔喷管代替普通收缩喷管或收-扩喷管作为引射喷管系统的主喷管,进行模型实验,结果表明,这种构型引射喷管不仅能显著降低噪声,而且具有良好的气动性能。     

汽轮机转子动叶片装配序列智能优化

针对某工厂因动叶片装配序列存在 “不平衡量值大、叶片质量或质径积形成的聚集及特殊叶片排序不稳定”问题，而导致动叶片安装时出现动叶片中间体及围带间间隙超差等现象，在简要分析动叶片装配和称重原理的基础上，结合遗传算法的全局优化和快速收敛的特点，提出了动叶片安装排序的智能优化方法。经统计某级动叶片装配间隙数据及转子动平衡测试数据，结果表明:优化算法的采用，使整级动叶片一次性装配间隙合格率由68.3%提升至86.6%，转子动平衡配重质量块减少约49.2%，在3000r/min时，转子轴颈振动值降低约25.2%。      

涡轮盘优化设计中的热边界载荷控制效果研究

针对航空发动机涡轮盘结构优化设计,在等热负荷及等冷气耗量前提下,采用热边界载荷控制构建轮盘上有利的温度分布,以ISIGHT软件为基础搭建的集建模-CFD分析-FE（有限元）分析-优化设计在同一流程下的多学科优化设计平台为工具,研究热边界载荷优化在涡轮盘优化设计中的应用效果.结果表明:热边界载荷的优化可以实现质量减轻和应力水平同时下降的目的,下降水平决定于热边界载荷分配系数,当热边界载荷分配系数取0.1和0.2时,盘心最大等效应力下降值分别为5.93%和12.01%,质量下降值分别为1.25%和2.24%.      

涡轮盘/榫整体结构优化设计方法

考虑到榫联接和轮盘子午面在结构设计时的相互影响,针对典型的枞树型榫联接,提出了通用的榫联结构/轮盘子午面分步优化设计、总体协调的涡轮盘/榫整体结构优化设计方法.基于ANSYS优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘/榫整体结构总质量最小为优化目标,以涡轮盘/榫联结构关键应力为约束,建立了涡轮盘/榫整体结构优化设计的数学模型.通过对某型发动机涡轮盘和榫联结构设计方案进行结构优化设计,在满足所有几何约束及强度要求的条件下,二齿及三齿盘/榫结构优化后总质量都有明显降低,说明涡轮盘/榫整体结构优化设计方法的合理性;且二齿盘/榫结构的总质量较三齿盘/榫结构明显减小,榫槽底部最大第一主应力也明显降低.任意榫齿数可选的通用涡轮盘/榫整体结构优化设计方法及平台可适用于不同涡轮的结构设计,具有较强的工程实用性.      

超燃冲压发动机燃烧室新型热结构的优化设计

为了探寻超燃冲压发动机工程设计的方法,解决超燃冲压发动机燃烧室严峻的热防护问题,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的复合结构形式的主动冷却结构方案;建立了超燃冲压发动机燃烧室热结构设计模型和燃烧室惰性质量估算模型;基于遗传算法,以热结构各层厚度、槽宽、肋宽和肋高为待优化参数,进行了单目标和多目标优化设计。以燃烧室惰性质量最小为目标进行优化设计后,惰性质量减少了21.7%,得到最小惰性质量下的热结构尺寸;以惰性质量最小、冷却液流量系数最低为目标进行优化设计后,得到了Pareto最优前沿及对应的热结构尺寸。     

锯齿冠的结构特性与设计

根据锯齿冠结构原理,导出了包含锯齿冠结构特性参数（λ、ψ、βμ、Δβ）的关系式,即锯齿冠结构特性方程,并将其图解成锯齿冠结构特性曲线,直观、清晰地描述了各特性参数之间的关系和变化规律;揭示了由实际条件产生的“紧度偏差”,论述了锯齿冠结构的设计方法。同时指出,选择过大的接触角会使叶冠失效而引发叶片故障。