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.      

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.      

APU一级涡轮叶片可靠性分析

分析某型APU损伤类型与维修数据后发现,一级涡轮叶片损伤类型基本为移位与烧蚀。使用MINITAB对叶片损伤数据进行统计分析,获得概率图与经验累积分布函数。使用极大似然法计算一级涡轮叶片寿命分布函数,并通过Anderson-Darling法检验拟合精度。根据得到的分布函数计算叶片的概率密度函数,得到可靠度函数与故障率函数分布图。计算得出一级涡轮叶片中位寿命,为APU涡轮叶片仿真计算提供参考。     

某型发动机低压涡轮转子叶片动测技术及应用研究

通过对某型发动机低压涡轮转子叶片在整机上进行动频、动应力测量(以下简称动测)的应用实例,介绍了一种较为成熟的测量方法.该方法根据叶片静频、振型、应力分布测量结果及叶片应力分布计算结果,来确定动测叶片的应变片粘贴位置.通过合理的发动机结构改装,实现了高温涡轮转子叶片台架振动、温度实测工作.试验结果表明,该技术具有实际应用价值,可以为同类测量提供参考.     

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.      

考虑涡轮传热性能的气动设计耦合计算方法研究

为了在涡轮叶片气动型线设计过程中同时提高气动效率并保证传热性能,提出了一种基于一维管道网络法和三维CFD的耦合计算方法,分别采用管网/三维耦合计算方法和全三维耦合计算方法对MARK-II冷却叶片多个工况进行计算,两种数值计算方法计算结果与实验数据交叉对比,以验证本文计算方法可行性。计算结果表明,两种数值计算得到的叶片型面压力、温度、换热系数和实验值都比较吻合,但管网/三维耦合计算得到的壁面温度相比全三维耦合计算结果整体略微偏低,最大偏差不超过3.89%。基于管网/三维耦合计算方法对某航空发动机涡轮第二级动叶叶片型线优化设计,气动效率提高0.34%,壁面平均温度几乎没有变化。     

定向结晶涡轮叶片蠕变/疲劳寿命的试验与分析

针对定向涡轮叶片的使用工况,提出了用于涡轮叶片蠕变/疲劳试验的方法,包括摩擦原理的夹具设计和标定及相关试验、计算和分析技术,并以某型定向涡轮叶片为例,介绍了该方法的实现。试验结果表明:试验方法能够模拟涡轮叶片考核截面在实际工作状态下的应力场和温度,利用所提出的试验方法和分析技术得到叶片的寿命数据是合理的。此次提出的基于构件的定向结晶涡轮叶片的蠕变/疲劳试验方法,对于涡轮叶片的定寿、故障预防、以及维修都有重要意义。      

叶片包容性计算的软件实现

基于英国和俄罗斯叶片包容性设计方法和理论,应用VB语言开发了叶片包容性计算软件。以某型发动机第1级涡轮叶片为例,用该软件计算了叶片包容性和满足包容性条件下的最小机匣厚度。根据实际要求,也可以用该软件确定满足包容性要求的各设计参数     

某型发动机涡轮转子温度和应力测试研究

为确保某型发动机的安全使用,通过对该发动机涡轮转子的温度和动应力进行实测,据此对涡轮转子叶片和盘进行强度和寿命计算。对涡轮转子的叶片和盘进行强度初步计算,确定应力最大点,在发动机实际工作状态下,得到测试部位的实际温度和动应力;利用测试结果,计算确定涡轮转子叶片和盘的疲劳寿命。该研究首次得到了涡轮转子叶片和盘的温度和动应力数据。计算结果表明:涡轮转子叶片的寿命不低于2000 h,涡轮盘的寿命不低于5000 h。     

某5级低压涡轮全三维计算分析

为了解某民用发动机5级低压涡轮的气动设计特点,利用全三维计算流体动力学(CFD)软件CFX 12.0对带冷气的某5级低压涡轮进行了全三维计算,湍流模拟采用带转捩的SST(shear stress transport)二方程模型,并使用源项模拟技术考虑冷气的影响.计算结果与试验结果进行了对比,结果表明该涡轮叶片均采用前加载或均匀加载的设计方法,流道中气流为全亚声速流动;亦表明了CFX软件对气动流场的模拟具有较高的精度.计算结果为先进民用航空发动机涡轮设计提供一定的参考和借鉴.      

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.      

航空发动机风扇叶片硬物冲击损伤特征

通过对国内近20年民用航空发动机风扇叶片外物损伤数据调研与统计分析，筛选最具典型特征的硬物冲击损伤数据，依据发动机维修手册对风扇叶片损伤类型特征进行了分类，研究损伤类型与发动机类型的相关性和差异性、损伤发生位置特征、损伤尺寸特征等内容.分析结果表明:发动机风扇叶片硬物冲击损伤类型表现出多样化特征，其中缺口和凹坑两类损伤类型发生概率较大，而且不同损伤类型在特定发动机型号中又存在一定的差异性.通过对损伤位置与尺寸特征的分析，表明风扇叶片的损伤位置存在一定的集簇统计规律，缺口的损伤尺寸特性存在一定的统计分布规律.研究结果能够为航空发动机风扇叶片实际的维护维修工作提供相关技术参考.      

钛合金叶片前缘的外物损伤残余应力数值分析

为研究航空发动机叶片外物损伤(FOD)位置残余应力的分布规律,根据真实叶片前缘特征设计了模拟叶片,基于Johnson-Cook本构模型,使用LS-DYNA软件仿真分析钢珠以不同角度冲击钛合金模拟叶片前缘的过程,对比仿真与相同试验条件下的空气炮模拟外物损伤试验的FOD损伤形貌与宏观尺寸,验证了有限元模型的正确性。提取仿真计算的不同入射角度对应的FOD位置残余应力分布,结果表明:钢珠以0°角入射时,钢珠冲击产生的接触力和变形能明显大于其他入射角度的情况,说明钢珠偏斜一定角度入射时造成的偏斜型缺口处的材料失效与变形不如外物正撞前缘形成的半圆型缺口严重;在FOD缺口底部尖端靠近入射表面区域存在明显的残余拉应力。随着入射角度的增大,残余拉应力区的范围逐渐扩大,残余拉应力最大值逐渐减小。     

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.      

DZ125定向凝固高温合金的研究

研究了可用作先进航空发动机定向薄壁空心叶片的DZ125合金,该合金具有高的综合性能,其力学性能水平高于国内外广泛应用的同类商用典型定向合金,同时具有良好的定向铸造工艺性能和高的薄壁力学性能.合金已用于铸造某航空发动机的具有复杂内腔的薄壁定向叶片,并已通过台架试车,投入小批量生产.     

旋转离心应力对叶片鸟撞响应的影响

为避免航空发动机叶片在高速旋转工作状态时经常会发生外物损伤造成的严重事故,基于冲击动力学理论,建立了离心预应力作用下叶片外物撞击的非线性动力学模型,利用碰撞动力分析软件PAM-CRASH及其丰富的材料本构模型数据库,建立了旋转叶片受鸟体撞击的有限元分析模型,并在其环境下通过隐式静力求解来进行旋转状态下叶片的预应力分析,对不同离心栽荷下叶片鸟撞击进行数值模拟比较。结果表明,离心应力对叶片的瞬态响应及损伤特征有较大的影响,并获得了不同离心预载作用下外物损伤的一些规律。     

Blade containment evaluation of civil aircraft engines

The potential hazard resulting from uncontained turbine engine rotor blade failure has always been the long-term concern of each aero engine manufacturer, and to fully contain the failed blades under critical operating conditions is also one of the most important considerations to meet the rotor integrity requirements. Usually, there are many factors involving the engine containment capability which need to be reviewed during the engine design phases, such as case thickness, rotor support structure, blade weight and shape, etc. However, the premier method to demonstrate the engine containment capability is the fan blade-off test and margin of safety (MS) analysis. Based on a concrete engine model, this paper aims to explain the key points of aero engine containment requirements in FAR Part 33, and introduces the implementation of MS analysis and fan blade-off test in the engine airworthiness certification. Through the introduction, it would be greatly helpful to the industrial community to evaluate the engine containment capability and prepare the final test demonstration in engine certification procedure.     

发动机叶片鸟撞击瞬态响应的数值模拟

 简介了叶片鸟撞击瞬态响应的计算方法, 并采用接触冲击算法计算模拟了不同质量的鸟撞击单个、多个及整级叶片的瞬态响应过程。结果表明: 接触冲击算法能较为真实反映叶片鸟撞击过程; 不同质量的鸟撞击叶片时, 叶片变形与应力有较大的差异; 大质量的鸟撞击时, 必须考虑撞击区附近的局部塑性变形、叶尖位移以及叶根的局部塑性变形。研究结果对于进行我国叶片抗鸟撞击损伤设计具有重要参考价值。     

民用航空发动机润滑系统适航审定技术分析

润滑系统对航空发动机的润滑、散热、清洁、防腐等有重要作用,润滑系统的安全影响着发动机整体的安全。研究发动机润滑系统的审定基础与安全性对我国自主研制发动机润滑系统十分重要。首先对航空发动机润滑系统涉及的适航条款及标准规范进行分析,再针对润滑系统的功能和部件故障模式及影响分析(failure mode and effect analysis,简称FMEA)展开研究。最后从润滑系统设计、润滑系统部件试验、滑油姿态试验、滑油中断试验和整机试验5部分展开审定分析,形成了一套完整的润滑系统安全性审查方法指南,为局方提供润滑系统的适航审定支持。     

先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展

介绍近期国内外的高温合金近净形熔模精密铸造技术研究发展状况,重点介绍北京航空材料研究院在航空发动机高温合金涡轮叶片、整体叶盘以及导向器和机匣类结构件的精密铸造技术领域取得的研究成果.论述高温合金精密铸造技术的未来研究重点.