轴流式轮盘破裂转速的数值计算方法

对3种轴流式轮盘在常温和高温下进行了非线性有限元计算,提出了一种应用有限元法计算轮盘破裂转速的破裂准则,得出了3种轮盘的破裂转速;并将计算结果与大变形解析法及试验值作了对比分析。      

修正平均应力法预测轮盘破裂转速的试验研究

基于修正平均应力法，分析了TC17钛合金压气机轮盘型面尺寸参数对径向和周向破裂转速的影响，并对破裂模式的转变进行预判。进而设计了针对径向破裂模式的轮盘试验件，并开展了TC17钛合金压气机轮盘的破裂试验。轮盘破裂试验结果与修正平均应力法计算结果吻合较好，计算的破裂转速储备与试验结果的误差由修正前的7.24%下降为修正后的0.72%，可为工程应用提供依据。     

某低压涡轮盘破裂转速分析与试验验证

为了研究轮盘破裂转速分析方法并提高破裂转速预测精度,基于有限元计算结果,采用平均应力法和局部塑性应变法对某低压涡轮盘破裂转速和破坏起始部位进行预测,并与试验和失效分析结果进行对比分析。结果表明:平均应力法和局部塑性应变法预测的破裂转速与试验结果吻合较好;局部塑性应变法预测轮盘破裂起始部位与失效分析结果吻合较好;对于研究的轮盘及其工作环境,平均应力法预测破裂转速偏低,局部塑性应变法预测破裂转速偏高;局部塑性应变法预测精度相对更高。     

轮盘破裂转速试验研究

“轮盘破裂转速准确预测方法及试验评定研究”作为发动机结构完整性的课题,从理论计算及试验评定两方面研究破裂转速问题,以指导轮盘设计,分析产品盘破裂故障。采用了大变形解析法作为预测轮盘破裂转速的理论计算方法[1],用来指导轮盘的设计,并用模型试验来考核这种计算方法的准确性。显然,模型试验要简便得多,成本低廉,因此可以比较大量和系统地试验各种模型盘,包括有温度梯度和几何形状各异的模型盘,以减少甚至免除产品盘试验工作量。      

考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测

平均应力法用于航空发动机轮盘破裂转速预测时结果一般偏大,对于带螺栓孔的轮盘破裂转速预测误差更大。考虑局部应力效应对平均应力法进行修正,引入修正因子来表征轮盘子午面平均周向应力和危险部位局部应力对轮盘破裂转速的加权影响。通过开展典型轮盘材料GH4169的光滑试样和缺口试样拉伸试验,并开展了两件模拟盘破裂转速测量试验,得到修正因子与缺口强度比的关系,然后同时采用这两种方法对某涡轮盘的破裂转速进行了预测,并开展了验证试验。试验结果表明:平均应力法预测结果偏大,误差达到了9.4%,而考虑局部应力修正后,预测值仅略低于试验值,误差仅2.67%。考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测方法简单可靠,具有较高的工程实用价值。      

基于极限应变法的超转分析验证与应用

为了提供快速提高轮盘超转破裂裕度方法,满足适航对超转相关要求,基于极限应变法开展了轮盘超转分析和试验验证。轮盘破裂转速分析与试验结果符合性较好,轮盘起始破裂位置、应力应变分布特征通过轮盘碎片断口及残余变形获得了验证。根据轮盘起始破裂位置,给出了适航超转要求中最不利尺寸公差的确定方法和通过局部结构强化提高轮盘破裂转速的方法。分析和试验结果的对比证明了极限应变法用于超转破裂分析的合理性,整个过程也为充分利用超转试验结果对分析进行验证提供了范例,提出的提高轮盘破裂裕度方法和最不利尺寸公差确定方法具有较强操作性,可为航空发动机轮盘超转设计和适航取证提供参考。     

某高压涡轮整体叶盘破裂转速计算方法及试验验证

轮盘的一个重要设计准则是防止其破裂。本文介绍了某高压涡轮整体叶盘破裂转速的计算方法和试验验证。根据试验结果对整体叶盘破裂转速的计算方法进行了验证，反推并验证了该高压涡轮整体叶盘的材料利用系数。该研究成果可供工程设计人员参考。     

轮盘弹塑性盘破裂准则的建立及变厚度轮盘破裂转速预测

建立了与材料延伸率相关的轮盘弹塑性破裂准则。为了验证所提出破裂准则的正确性,采用非线性有限元对变厚度轮盘破裂试验件的破裂转速进行了预测,并与试验结果进行了对比。结果表明,二者吻合很好。     

航空发动机涡轮机匣轮盘包容性研究

为研究某航空发动机辅助动力装置涡轮盘在预定转速范围内破裂后涡轮机匣的包容能力,在高速旋转试验器上进行了涡轮机匣的包容性试验.试验采用轮盘周向3个对称位置预制裂纹的方式,使轮盘在预定转速范围内破裂成均匀3块,得到了轮盘碎块撞击涡轮机匣的高速摄影照片.试验结果表明轮盘碎块击穿机匣撞击包容环,包容环发生大塑性变形,包住轮盘碎块.采用LS-DYNA软件对涡轮机匣包容性进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合良好,研究结果对航空发动机轮盘包容性设计有一定的参考价值.      

材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果的影响研究

为优化航空发动机轮盘结构设计,节约轮盘破裂转速预测成本,借助GH4169轮盘材料拉伸性能数据,采用基于塑性失稳准则和大变形有限元分析的轮盘破裂转速预测方法,分别利用双线性、多线性及非线性材料本构模型,分析探讨了材料性能分散性对轮盘破裂转速预测的影响。结果表明,在典型分散范围内考虑材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果有一定影响,但影响较小;在预测轮盘破裂转速时,可直接采用最差材料性能曲线,以获得相对保守偏于安全的结果。     

温度场对航空发动机转子超转破裂的影响

CCAR33.27超转适航要求，分析和试验确定的超转转速，必须基于温度和温度梯度的最不利组合。因此，研究温度和温度梯度对超转破裂的影响有非常重要的意义。以某型航空发动机低压6级涡轮转子为例，采用极限应变方法开展了转子部件的超转破裂分析，对比了常温和高温（红线转速对应的温度分布）下转子关键轮盘应变分布趋势和应变增长规律、预测的超转破裂的起始位置和破裂转速等轮盘超转特性；针对超转破裂分析，提出了在高温条件下，经过常温超转破裂试验验证的方法应用的有效性条件。低压涡轮转子的分析结果也显示，红线转速对应的温度状态下，轮盘超转破裂转速比常温下显著降低，而高温下材料屈服强度的大幅降低则是破裂转速下降的主要原因。     

轮盘变幅循环疲劳寿命预测法

本文介绍了基于局部应力应变法的轮盘变幅低循环疲劳寿命预测系统。通过试验和理论研究改进了局部应力应变寿命估算法, 使之具有高的工作效率和较好的寿命预估精度。所提出的应用光滑棒预测轮盘变幅低循环疲劳寿命的方法具有较好的精度, 方法简便。本文建议应用变幅循环的结果确定轮盘的可靠性寿命比 EGD- 3[1] 的方法更科学、更可靠。      

涡轮盘多轴低循环疲劳寿命可靠性分析

多轴低循环疲劳是航空发动机涡轮盘的主要失效模式,应用多轴疲劳寿命预测的等效应变模型和临界面模型对某涡轮盘中心孔的疲劳寿命进行了预测,并与试验寿命进行了对比,得出等效应变模型预测结果均偏于危险,并且误差较大,而临界面模型误差较小,尤其拉伸型破坏的SWT模型误差在10%以内。进一步选取SWT模型进行了涡轮盘的寿命可靠性分析,鉴于多轴疲劳试验复杂、费用高并缺少统计数据,利用现有单轴疲劳试验数据将疲劳性能参数表示为标准正态随机变量的函数,将SWT模型随机化建立多轴疲劳寿命概率模型,得到可靠度0.998 7的涡轮盘寿命,与试验估计给出的技术寿命较为接近。     

基于SWT模型的概率寿命分析体方法

为了研究大应力体积对航空发动机轮盘低周循环疲劳破坏的影响,提高轮盘概率寿命预估精度,针对应变体方法对中、长寿命轮盘预测精度不准的缺陷,提出基于SWT模型的概率寿命分析体方法。该方法以最大主应变平面为临界面的SWT模型为基础,结合考虑尺寸效应的体方法,且不需要进行平均应力修正。通过对某风扇盘进行概率寿命分析,得到的轮盘中值寿命与试验结果吻合良好,预测精度高于应变点方法、应力修正系数法得到的结果。表明基于SWT模型的概率寿命分析体方法可以用来预估航空发动机轮盘概率寿命。     

某涡轮盘低循环疲劳概率寿命数值模拟

针对发动机轮盘疲劳萌生寿命具有较大分散性,且难于准确确定安全寿命边界的特点,基于应变疲劳概率分析模型,以转速、材料属性、盘轴连接销钉孔处过盈量作为随机变量,应用响应面与蒙特卡洛模拟结合,获得某涡轮盘寿命概率分布,并得到可靠度为99.87%的概率寿命,与轮盘试验技术寿命吻合良好。      

航空发动机高负荷涡轮盘双辐板结构优化设计

转速高负荷重的涡轮盘是发动机重量大户,采用单辐板结构设计难以有效减轻重量。提出并建立了涡轮盘双辐板结构优化设计数学模型及方法,筛选了涡轮盘子午面形状设计参数,建立了应力约束条件,利用AN-SYS优化平台,编制了轮盘结构优化程序。针对典型高负荷涡轮盘结构优化问题,分别进行了单辐板盘和双辐板盘结构优化设计,结果表明,在满足轮盘变形、强度要求的条件下,双辐板盘比单辐板盘重量可减少25.3%,应力分布更均匀,说明对于高负荷涡轮盘,双辐板盘具有明显的优势。     

盘轴转子系统临界转速计算的改进传递矩阵法

在用传递矩阵法分析转子系统的临界转速时,传统的方法是忽略轮盘的厚度,将轮盘的传递矩阵作为点矩阵来处理的,这样会导致转子轴的刚度比实际模型的低,进而导致临界转速的计算结果偏低。本文将通过轮盘的传递矩阵作为场矩阵来处理,对计及轮盘厚度的传递矩阵进行了推导。分别使用传统传递矩阵法和本文提出的改进传递矩阵法对2个盘在不同位置的单盘转子模型以及一个多盘转子系统的临界转速进行了计算。对比结果表明,传统传递矩阵法的计算误差很容易就会达到一个不可忽略的水平,改进的传递矩阵法解决了这一问题。     

粉末高温合金盘件预成形设计的类等势场分析法(英文)

传统的预成形设计方法精度低、耗时、耗力,为了克服这些缺点,提高产品的质量和工作效率并降低生产成本,需对预制坯进行合理的预成形设计。本文根据能量最小原理和最小阻力原理,利用塑性变形过程中坯料的流动规律于静电场等势线分布类似这一特性,提出一种能够进行预成形设计的新方法-类等势场法,并采用该方法对粉末高温合金盘件进行预成形设计,从中优选出6组预成形形状,利用MSC/Superform商用软件对上述预制坯的等温成形过程进行数值模拟,得到6组粉末高温合金盘件终锻结束时各个部分的等效应变分布、预锻和终锻的变形程度分配以及模具型腔的受力情况。通过分析,选出最佳的设计方案。     

涡轮盘材料及其热加工的现状与发展

本文评述了我国航空发动机涡轮盘材料及热加工工艺的现状与发展。 在不均匀温度场中承受复杂载荷的涡轮盘,选材由耐热钢逐渐发展至高温合金,经铸造和塑性变形后,存在着许多冶金缺陷。因而,在研究改进材料化学成分的同时,要改变加工方法,以提高材料的工艺性能和使用性能。近年来使用的粉末冶金工艺,也因均匀性、稳定性和纯净度等问题,加工的涡轮盘存在着早期低周疲劳失效的缺陷,同时限制其使用。等温锻造及热等静压工艺,改善了涡轮盘的使用性能,有希望成为大推重比的发动机涡轮盘所采用的工艺方法。 进一步应从寻找新材料和新工艺方法两方面共同着手研究,在一定意义上,后者比前者的作用更大。