高推质比双辐板涡轮盘结构研究及光弹试验验证

为了满足高推质比发动机的设计要求,采用渐进结构优化算法对传统涡轮盘进行了拓扑优化,确定了双辐板涡轮盘的结构形式.针对拓扑优化结果对双辐板涡轮盘进行了有限元分析和尺寸优化,使得同等应力水平下的双辐板涡轮盘比传统涡轮盘的质量降低了23.6%.通过三维旋转光弹试验验证了所提出的双辐板涡轮盘结构的合理性和相关计算的正确性.      

Structural design and optimization for vent holes of an industrial turbine sealing disk

Severe stress concentration occurs around circular vent holes of an industrial turbine sealing disk. This paper investigates the structural design and optimization for the vent holes to effectively reduce the maximum von Mises stress and improve the fatigue life of the turbine sealing disk. An efficient integrated design optimization method is presented based on a novel non-circular vent hole design method in combination with a variable dimension sub-model method, a self-developed modeling and meshing tool, and the Multi-Island Genetic Algorithm. The proposed non-circular vent hole is biaxial symmetric and consists of four smoothly connected arcs. The variable dimension sub-model method is utilized to obtain accurate results in the fields around the vent holes within the computationally acceptable time. The modeling and meshing tool is developed by using the Tcl/Tk Scripts to rebuild the geometry and generate the high-quality hexahedral mesh automatically. The Multi-Island Genetic Algorithm is adopted to solve the studied constrained optimization problem. After optimization, the maximum von Mises stress is reduced from 1305.644 MPa to 963.435 MPa, and the fatigue life is increased from 3091 cycles to 30,297 cycles. The results show that the proposed design and optimization methods can significantly improve the performance of the turbine sealing disk along with the remarkable drop in stress concentration.     

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。      

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.      

涡轮盘双轴对称异形孔结构建模与优化

针对发动机轮盘孔结构的应力集中问题,以某高压涡轮盘安装边螺栓孔为研究对象,建立了涡轮盘非圆异形孔数学模型.该异形孔由双轴对称的8段圆弧光滑连接而成,并满足螺栓装配的要求.使用该异形孔模型取代了原螺栓孔.以有限元分析为基础对异形孔进行了优化,得到该轮盘安装边多圆弧异形螺栓孔的最佳形状.结果表明:优化后的多圆弧异形螺栓孔边第1主应力最大值降低了14.8%,孔边应力集中程度显著下降.设计参数灵敏度分析结果表明,与主圆弧相连的过渡圆弧的尺寸对孔边应力的影响较为显著,在设计中应予以重视.      

航空发动机涡轮盘裂纹扩展分析

在计算分析含有角裂纹等厚空心盘应力强度因子基础上,针对某涡轮盘螺栓孔周向应力最大处建立孔边角裂纹的有限元模型;利用J积分法,计算得到不同尺寸裂纹前沿的应力强度因子;采用2自由度法描述扩展过程中裂纹前沿形状的发展,对角裂纹引起的轮盘裂纹扩展过程进行了有限元模拟;最后得到涡轮盘的裂纹扩展寿命。     

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%.      

Structural optimization of uniaxial symmetry non-circular bolt clearance hole on turbine disk

This study proposes a parameterized model of a uniaxial symmetry non-circular hole, to improve conventional circular bolt clearance holes on turbine disks. The profile of the model consists of eight smoothly connected arcs, the radiuses of which are determined by 5 design variables.By changing the design variables, the profile of the non-circular hole can be transformed to accommodate different load ratios, thereby improving the stress concentration of the area near the hole and that of the turbine disk. The uniaxial symmetry non-circular hole is optimized based on finite element method（FEM）, in which the maximum first principal stress is taken as the objective function. After optimization, the stress concentration is evidently relieved; the maximum first principal stress and the maximum von Mises stress on the critical area are reduced by 30.39% and 25.34%respectively, showing that the uniaxial symmetry non-circular hole is capable of reducing the stress level of bolt clearance holes on the turbine disk.     

涡轮盘结构可靠性与稳健性综合优化设计

初步建立1种综合考虑结构疲劳可靠性与稳健性的航空发动机涡轮盘优化设计方法。根据涡轮盘的结构设计准则,以轮盘的轻质化和低循环疲劳寿命的稳健性作为目标,以结构强度和疲劳可靠性作为约束,采用随机优化方法对轮盘进行优化设计。设计结果表明:由于量化考虑了轮盘的安全性,所以能够得到更精确的约束,从而使轮盘设计质量更轻;而针对稳健性的优化,则降低了低循环疲劳寿命对载荷和材料参数波动的敏感性,提高了涡轮盘的稳健性。     

基于拓扑优化的叶盘压电阻尼器性能研究

针对压电分支阻尼技术在航空发动机叶盘结构振动抑制问题中的应用,提出了一种拓扑优化方法,可给出限定用量的压电材料在轮盘上的最佳位置,以提升压电分支阻尼的上限。在轮盘上布置压电材料还可防止对叶片通道内流场的影响,避免降低流体效率。首先,论述了该拓扑优化方法的原理,推导了模态机电耦合系数这一核心参数的计算公式及其与最佳阻尼比、模态应变场的关系。其次,建立了基于模态应变场的压电材料分布拓扑优化方法,可用于任意有限元模型。最后,将该优化方法应用于一个航空发动机压气机叶盘结构模型,分别针对单一和多阶模态进行了压电材料在轮盘上分布的拓扑优化,研究这种铺设方式对各典型模态(轮盘主导、叶片主导、耦合振动)的振动抑制效果。结果表明,在仅采用占轮盘质量5%的压电材料的情况下,优化后的压电阻尼器最多可以为轮盘振动主导模态及叶片-轮盘耦合振动模态提供约13%的模态阻尼比,为叶片主导模态提供的模态阻尼比集中在2%～4%。     

变厚度涡轮盘上能量与应力分布的关联分析

提出一种分段解析法,推导给定变厚度涡轮盘内外缘加热能量下涡轮盘的温度分布与应力分布,从而建立起以能量转移系数表示的涡轮盘能量分布与温度分布及应力分布之间的直接关联.该关联应用于某型航空发动机低压涡轮盘,并通过与数值模拟对比,结果显示:温度与应力的理论分析结果与数值模拟结果吻合较好,最大相对偏差分别为2%与13%;等边界热流量条件下,随着能量转移系数的增大,涡轮盘内缘温度增大,外缘温度减小,涡轮盘等效应力水平降低,最大等效应力减小.分段解析法获得的能量分布与应力分布关联的准确性与可行性得到了验证.      

双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

提出双辐板涡轮盘/榫三维结构优化设计方法,包括:以盘/榫总质量作为目标函数,分部管理的设计参数,盘/榫结构分部快速优化/整体精细优化策略;基于ANSYS软件,建立了双辐板涡轮盘/榫结构优化设计平台.针对某高压涡轮转子,设计了两种双辐板涡轮盘/榫模型,分析了盘缘喉部半径、盘缘厚度参数对盘/榫危险区应力的影响.优化结果表明:双辐板涡轮盘比单辐板涡轮盘应力分布更加均匀;在满足结构强度约束条件下,两种双辐板涡轮盘分别比单辐板涡轮盘减质19.90%和17.35%;对双辐板涡轮盘/榫模型进行优化,采用该优化设计方法的计算时间仅为采用常规三维优化方法的1/3,表明其优化设计方法的合理性及高效性.      

用残余应力确定涡轮盘应变循环研究

提出了一种避开瞬态温度场测试而通过残余应力计算得到最大应力应变循环的方法。应用以应力释放位移为几何边界条件的残余应力确定法对某型发动机高压涡轮盘进行了残余应力分析,得到了涡轮盘中心孔与径向销钉孔交界处的残余应力,并计算了该危险点最大应力应变循环,预测了低循环疲劳寿命。研究结果表明,该方法可以较准确地确定影响零部件寿命主要因素的最大应力应变循环。      

某型发动机涡轮盘强度与疲劳寿命计算

对某涡桨发动机高压涡轮盘进行了有限元应力分析,结果表明:在各工作状态,涡轮盘的应力水平在各工作状态都处于弹性范围,最大应力点始终处于轮盘的偏心孔处;采用斯贝MK202发动机应力标准(EGD-3)提供的方法,对该涡轮盘的低循环疲劳寿命进行了估算。     

微小型航空燃气轮机离心叶轮拓扑优化设计

离心叶轮是微小型航空燃气轮机中的关键部件,要求其在满足气动性能的前提下,尽量减轻结构重量,传统设计制造技术已基本发挥到极致,但增材制造技术及拓扑优化设计方法的发展为其进一步优化设计拓展了新的空间。针对某型航空微型燃气轮机离心叶轮减重设计问题,依托增材制造和拓扑优化设计技术,在现有设计的基础上,首先对离心叶轮进行静强度分...     

双辐板涡轮盘盘腔单向流固耦合分析

为减轻质量、提高冷却效率,针对下一代高推重比涡扇发动机高压涡轮盘的优化设计,基于3维双辐板涡轮盘模型进行单向流固耦合分析,通过定常流动换热分析得到该结构盘腔中的流场、压力场和温度场分布,将盘腔表面压力分布和盘体上的温度分布作为载荷传递给盘体,对盘体进行应力分析得到应力场,从而建立起温度场和应力场的直接关联,总结出盘腔转速是影响盘体最大等效应力的关键参数,为双辐板涡轮盘的冷却设计和结构优化提供了数据支撑。     

航空发动机轮盘优化设计的策略与纲要(轮盘优化设计系统TDSOS简介)

轮盘结构形状复杂,完全按照实际结构进行结构分析也非常困难。为此,将榫头沿根部从轮盘中分离出来,作为三维问题处理;剩下的盘体简化为轴对称问题。由于简化了盘体,忽略了局部的应力集中,为此,适当降低被简化部位的屈服应力以做补偿。这样处理是否合适,需要从得到的优化设计中取出被简化的部分进行三维弹塑性计算来校核。如不满足给定条件,调整后重新进行优化直至满足要求。      

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。     

某型航空发动机低压涡轮盘的强度计算

根据某型航空发动机低压涡轮盘的实际结构进行有限元建模,并根据涡轮盘的载荷特点,采用循环对称基本理论对其1/64扇区的载荷进行了计算.对涡轮盘的离心负荷的热弹性应力进行了综合考察与分析,计算得出最大应力集中发生在涡轮盘中心孔处,对进行同类型的涡轮盘强度分析与寿命计算具有借鉴作用.     

基于表面缺陷特征的疲劳寿命预测方法

在含表面缺陷试样的疲劳数据的基础上，提出了表面缺陷对疲劳寿命影响的尺寸参数，将其引入Walker寿命方程，建立了可以考虑表面缺陷尺寸特征的疲劳寿命预测方程。将该方程的寿命预测结果同考虑应力梯度的寿命预测方法的计算结果进行对比，两者在±3倍以内，验证了方法是准确可靠的。进而，将该方程应用于粉末高温合金涡轮盘的疲劳寿命预测中，获得了不同尺寸的表面缺陷对涡轮盘寿命的影响规律，其工程意义在于:依据涡轮盘危险位置的应力特征，能够给出存在缺陷时的疲劳寿命，可作为使用过程中的重要参考数据，一旦出现漏检的表面缺陷，也能够保证涡轮盘的安全工作。