叶片加工误差对压气机叶栅气动性能的影响

压气机叶片在加工过程中会造成加工成型的叶片与设计者的初衷有一定的偏差。为了获知偏差对叶片气动性能的影响,结合我国现有的叶片检测方法,采用单因素法数值研究了叶片扭转、轮廓度、前后缘半径、前后缘形状及弦长误差对叶片气动性能的影响规律。研究结果表明,不同位置、不同大小的误差对性能影响不一,其中叶型扭转、轮廓度及前缘(半径、形状)误差是影响性能的主要参数,而尾缘(半径、形状)误差对性能影响不明显。其中0.5°的扭转误差会恶化性能高达46.56%,0.1mm的轮廓误差最高恶化性能达20.40%。所获得的误差影响规律可以用于提供合理的加工技术要求及制定叶片质量评判标准。     

转子叶片加工误差对1.5级跨声速压气机气动性能的影响

压气机叶片加工误差不可避免,将在一定程度上影响压气机的气动性能。为研究叶片加工误差对跨声速压气机气动性能的影响,以燃气轮机进口1.5级跨声速压气机为对象,通过三坐标测量跨声速转子叶片叶型数据,获得了加工误差分布特征;针对实测转子叶片,采用三维CFD数值模拟方法,研究了轮廓度、位置度和扭转角综合误差对压气机转子和级特性线和流场参数的影响;针对转子叶型以轮廓度超差为主的特点,采用S2流面通流计算方法,在设计流量点研究了由轮廓度误差引起的转子叶型最大厚度变化对压气机转子和级性能的影响。结果表明,转子叶片加工误差对压气机堵塞流量、全流量范围内转子和级的压比和效率均有影响,同时改变转静子叶片排出口气流参数的径向分布规律,主要原因为激波位置和强度的变化;在设计流量点,转子和级的压比和效率的变化与最大厚度变化呈负相关趋势,厚度偏差越大性能变化幅度越大;对转子叶片,来流相对马赫数随叶片高度增加而增大,性能对叶型几何误差的敏感性增强,综合压比和效率的变化,中上部叶高范围的轮廓度公差要求应更严格。     

超声速来流基元叶型前缘加工误差气动敏感性分析

为研究叶型前缘加工误差对叶栅气动性能敏感性,以NASA Rotor 67转子70%叶高截面基元级叶型为研究对象,选择Clamped型非均匀B样条曲线实现叶型前缘数学描述。采用单因素法建立叶型前缘加工误差模型,提炼出叶片弦长误差、前缘轮廓度误差、几何进气角误差三个误差模型;随后结合L9(34)正交实验及数值模拟方法研究超声速来流条件下三维直列叶栅不同前缘误差类型对叶栅气动性能的敏感性。正交实验极差分析及显著性分析均表明:前缘轮廓度误差FP是影响叶栅气动性能的主要影响因素(75%以上可能性),叶栅性能随前缘轮廓度增加呈现恶化趋势,即叶型前缘越厚,叶栅总压损失越大,扩压能力越小。进一步分析轮廓度误差对叶栅性能影响机制得出:激波损失是叶栅性能随轮廓度误差加大而恶化的重要原因。     

整级环境下涡轮叶片型面加工几何偏差影响的不确定性分析

加工等过程中产生的几何偏差会导致涡轮叶片气动性能及工作状态发生显著变化，对该影响的准确评估与合理分析具有重要意义。本文提出了一种考虑三维型面几何偏差对气动性能影响的不确定性计算分析方法，包括随机叶型几何建模、不确定性量化计算和敏感性分析等，并结合某一单级高压涡轮进行分析。基于随机过程理论和主成分分析法，参考现有叶片加工公差标准，并结合正态性假设，完成实际叶型几何的不确定性建模。选用基于多项式混沌展开的Kriging代理模型进行不确定性计算，结果表明，几何偏差对所研究涡轮的气动性能和工作状态存在较为显著的影响：相较设计值，实际等熵效率的标准差为 0.33%，下 3%分位值减小 0.65%；实际质量流量和膨胀比的相对标准差分别为 1.24%、0.19%，下 3%分位值分别相对减小 2.37%、0.37%，上 3%分位值分别相对增加 2.38%、 0.36%。采用Spearman秩相关性分析法进行敏感性分析，结果表明，对于所研究的单级涡轮，不同几何参数间存在较大的相关性；导叶几何偏差的影响明显大于动叶；导叶尾缘区域几何对气动性能影响较为显著，该区域的加工偏差应严格控制。     

高压压气机出口级叶型加工偏差特征及其影响

以高压压气机出口级叶片叶中截面作为研究对象,获得了实际压气机叶片加工偏差的分布特征,并分析了实际加工偏差对叶型气动性能的影响。以此为基础,研究了加工偏差对叶型性能的影响机理。研究结果表明,实际叶型加工偏差存在一定的系统性偏差,从而导致实际叶型气动性能的平均值偏离设计值。叶型偏差对叶型气动性能的影响存在一定的非线性效应,这在前缘区域更为明显,从而导致了平均叶型的气动性能与实际叶型平均性能出现了明显偏差。前缘附近的几何偏差对吸力面和压力面的速度峰值有较大的影响,因此前缘附近的偏差是使叶型的气动性能产生系统性偏差和增大不确定度的主要因素。根据对流动机理的分析,进口几何角偏差是导致叶型性能出现系统性偏差的主要原因;可以近似用均匀偏差来估计叶身加工偏差对正负攻角范围和损失的影响。     

面向性能的压气机叶片铣削加工误差分析及统计

为提高航空发动机压气机叶片的加工质量,对其铣削加工中的质量影响因素进行了分析,包括加工前工艺规划及几何造型等因素、加工过程中变形与稳定性等问题以及加工后的残余应力变形等。针对必然存在的加工误差,提出了一种概率统计方法,并在此基础上对于影响气动性能的叶型关键几何区域,建立了有关轮廓误差和叶型参数误差的统计分析方法。借助于气动性能试验,获得了稳定工况下关键参数的误差分布,从而为指导叶片的实际铣削加工提供了理论依据。     

加工误差对压气机叶片气动性能影响试验研究

压气机叶片在加工过程中不可避免的会产生一定的加工误差。为了研究加工误差对压气机叶片气动性能的影响，设计并加工了4套平面叶栅用于模拟加工中常见的前缘及轮廓误差，并通过平面叶栅吹风试验获取误差影响规律。研究结果表明，前缘形状误差及正轮廓误差使得性能下降，前者使得叶型损失最高增加了23.4%而后者使得叶型损失最高增加了40.1%；此外负轮廓误差使得叶型性能有所提高，最高使得叶型损失降低16.6%。对应的影响规律可以用于提供合理的加工技术要求及制定合理的叶片检测标准。     

叶型偏差对涡轮性能影响的非定常数值模拟研究

叶型的加工和装配误差难以避免,这将对涡轮的气动性能产生一定的影响.采用定常和非定常数值模拟结合整机实验的方法,研究了叶型偏差对涡轮气动性能及内部非定常流动细节的影响,并比较了定常和非定常计算结果的差别.研究结果表明:在整个工作范围内,叶型偏差都会造成涡轮性能的明显下降,通道涡和泄漏流的发展、前缘吸力峰的强度、激波的形态和强度等流动结构以及叶排间的非定常相互作用都会随叶型的变化而显著改变,而非定常数值模拟对涡轮气动性能和流动结构受叶型偏差影响的捕捉更为准确.     

叶型偏差对涡轮性能影响的非定常数值模拟研究

 叶型的加工和装配误差难以避免,这将对涡轮的气动性能产生一定的影响。采用定常和非定常数值模拟结合整机实验的方法,研究了叶型偏差对涡轮气动性能及内部非定常流动细节的影响,并比较了定常和非定常计算结果的差别。研究结果表明：在整个工作范围内,叶型偏差都会造成涡轮性能的明显下降,通道涡和泄漏流的发展、前缘吸力峰的强度、激波的形态和强度等流动结构以及叶排间的非定常相互作用都会随叶型的变化而显著改变,而非定常数值模拟对涡轮气动性能和流动结构受叶型偏差影响的捕捉更为准确。     

压气机叶片加工误差影响不确定分析

为了正确评估加工误差的影响，提出了一种考虑加工误差大小、分布随机性的数值研究方法以实现叶片性能不确定性分析。采用NURBS(非均匀有理B样条) 方法实现叶型参数化，通过检测及统计手段获取误差真实分布，运用蒙特卡洛模拟生成随机样本，并训练Kriging代理模型进行不确定性分析，得到了叶片加工误差对气动性能的影响。结果表明:加工误差对气动性能的影响与所处工况有关，最高使得损失增加0.853%；叶型性能对于吸力面表面型线更为敏感，在加工及检测过程应给予更高要求。      

加工误差对2 维叶型损失系数影响的数值分析

叶片加工时由于公差和误差等原因其形状和尺寸往往会偏离设计状态,由此对叶片的气动性能造成严重影响。为了找到其中的规律,发展了1套简便可行的误差函数,在此基础上得到考虑了加工误差后的实际叶型。通过数值模拟得到了实际叶型的气动性能,并对其进行统计分析,验证了所采用的误差函数是可行的。计算了实际叶型的设计参数(如弦长、前尾缘半径、进出口金属角、最大厚度及其位置等),发现最大厚度和前缘半径的变化是导致实际叶型气动性能发生变化的最重要原因。在不同公差下,计算得到最小损失系数的概率密度函数,结合不同设计对叶型气动性能的不同要求,可用于评估设计和选取性价比最高的加工方式。     

叶片叶身型面的形状误差及位置误差检验——斯贝精锻叶片检验方法探讨

从斯贝精锻精铸叶片检验工序的安排上及对检测工装结构的分析中,可以发现罗·罗公司的精锻精铸叶片之所以能够质量好,合格率高,除了热工艺本身采用了一系列先进的技术和设备外,叶身型面采用无基准检验及位置和轮廓度误差的分项检验法,也是一个重要的原因。叶身型面的检验项目主要有:1.形状误差(轮廓度),2.厚度,3.扭转误差,4.弯曲误差,5.叶身相对于基体的位移度误差等。前一项叫     

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。     

扭转度误差对跨声速压气机叶片性能的影响

在压气机叶片加工过程中，受切削力等因素影响扭转变形不可避免。为探究扭转度误差对叶片气动性能的影响，将实测某压气机叶片扭转度误差数据应用于Rotor 37转子，创建误差叶片，通过数值模拟获得其设计转速下的性能参数。结果表明：相较于原叶片，“欠偏转”叶片特性曲线整体向小流量工况移动，反之，“过偏转”叶片特性曲线则向大流量工况移动，且各方案对应误差叶片的气动性能均合格；在设计工况下，随扭转度误差变化，总压比较等熵效率变化更显著，其中“欠偏转”叶片总压比减小，最大变化量为0.85%；此外，相较于原叶片，“欠偏转”叶片稳定工作裕度增大，其最大变化量可达12.29%，同时，“欠偏转”叶片通道激波延后，流动损失减小，且叶顶低速区范围减小，即在公差范围内，负扭转度误差对气流流动状态具有一定改善作用。     

基于位移场仿真与特征参数提取的精铸模具型面逆向设计方法

提出了一种简单高效的涡轮叶片精铸模具型面逆向设计方法:特征参数逆向调整法。一方面,基于叶片收缩变形位移场的有限元仿真结果,更为准确地计算铸件不同部位的收缩率;另一方面,通过12个反映叶型特征参数的提取、叶型的复原和调整技术,实现了凝固和冷却过程中非线性收缩变形的补偿,弥补了传统线性放缩法的不足。由于最终获得的型面仍然是参数化CAD模型,和单纯网格直接反向叠加法相比,无需后续复杂的曲面拼接和光顺技术。最后以叶片的叶身为例,将该方法与传统型面放缩法和网格直接反向叠加法进行比较,结果表明对于弦长为60.5mm的涡轮动力叶片,采用特征参数逆向调整法,叶型的型面误差、弦长误差和扭转角误差与传统的收缩中心放缩法相比分别降低了83.8%、96.3%和66.7%,因此具有很好的工程应用前景。     

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。     

基于DDES模拟的叶顶泄漏流与尾迹非定常干涉机理

叶顶泄漏流是涡轮叶片内部气动损失和非定常性的重要来源之一，其包含多个空间和时间尺度流场结构。采用延迟脱体涡高精度湍流模拟方法（DDES）研究了某高压涡轮动叶叶顶泄漏流，分析了泄漏涡结构及其非定常特性，进而研究了叶顶泄漏流与尾迹间的非定常干涉现象及其机制，最后基于非定常熵输运方程分解并研究了泄漏流区域的损失机制。研究发现：DDES方法可以精细捕捉泄漏流和尾迹区的多尺度流场结构及其相互干涉作用；泄漏流与尾迹间的相互干涉会导致尾迹涡轨迹发生明显偏移，并伴随着涡破碎现象的产生，具有很强的非定常效应；基于非定常熵输运方程的损失分析表明，涡破碎现象造成的损失在脉动损失中占比可达23.3%，是非常重要的损失来源之一。     

自动优化技术在涡轮设计中的应用

为了提升计算机辅助的自动优化设计技术在航空发动机涡轮设计中应用的有效性,基于计算机辅助设计技术、CFD仿 真技术和智能优化算法,构建了集2维叶型设计优化和3维优化于一体的轴流涡轮设计优化体系。采用结合几何参数法和非均匀 B样条曲线发展了鲁棒性强、适应范围广的基元叶型参数化造型方法;结合自动结构化网格剖分、高精度CFD求解程序和智能优 化算法,开发了针对工程的高效涡轮2维叶型设计优化软件;以基元叶型为基础,发展了包括涡轮叶片3维积叠、扭转及子午流道 型线调整的涡轮3维参数化方法;耦合商业CFD软件和智能优化算法,开发了级环境下涡轮3维优化设计软件。利用3维优化设 计软件开展了某单级跨声速高压涡轮和高低压涡轮过渡段优化设计,使单级高压涡轮效率提高0.62个百分点、过渡段分离流动区 域大幅度减小。结果表明：涡轮自动优化技术能够满足工程应用需求,显著地提升了涡轮气动设计水平。     

基于叶尖定时技术的非接触式叶片叶尖扭转角测试及应用

为了验证风扇转子叶片反扭设计的准确性及获取不同气动状态、不同转速条件下叶片扭转变形情况,建立叶片扭转应用理论模型,开发了基于叶尖定时技术的非接触式叶片叶尖扭转角测试技术,在发动机风扇转子叶片上开展了旋转状态下的叶片叶尖扭转角测试和仿真计算。结果表明：叶片叶尖扭转角变形理论计算值为1.5°,实测值为1.4°;采用统计分析方法计算稳态转速风扇转子叶片所有叶片叶尖扭转角最大标准偏差为0.1°,是因加工误差、装配误差、气流扰动和振动因素导致的;单个叶片叶尖扭转角最大标准偏差为0.01°,是因气流扰动和振动因素影响所导致的。该项测试技术成功地验证了叶型反扭设计,稳态转速风扇转子单个叶片叶尖扭转角小于所有叶片叶尖扭转角的离散度。     

基于检测结果的涡轮叶片精铸型腔反变形优化设计

针对空心涡轮叶片精铸过程中的试错法和数值仿真法难以敏捷反应铸件的真实变形情况,提出一种基于检测结果的精铸零件反变形综合补偿方法.通过对精铸叶片试模样件进行三坐标检测及统计分析,得到叶身截面收缩、扭转和弯曲变形情况,并建立其综合补偿反变形模具型腔优化算法,实现精铸型腔的反变形优化设计.以精铸叶片试模样件叶尖处截面为例,其叶身段型面误差、前缘最大误差、后缘最大误差相对于未补偿前分别减少了50%,68%和31%.实例验证表明:其研究成果能有效提高空心涡轮叶片的精铸成型精度,达到精确控形的目的.