旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大；当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。      

模型转子突加不平衡响应分析及试验验证

为准确获取风扇叶片飞失引起的瞬态载荷,利用显式动力学有限元仿真方法进行了接触建模和瞬态分析,开展了多层次的试验标定和校核工作,利用这些试验结果与分析进行了对比验证。结果表明:采用的显式动力学有限元仿真方法为准确模拟突加不平衡过程中的动态特征提供一种可行的仿真手段,形成了一套构件-组件-整机、从静力学到动力学的模型修正方法。按照测试优先级定义的主要传力路径载荷、突加不平衡载荷等物理量,确定了模型修正的测试参数选取方法。利用支承锥壁动应变测量数据,结合模型标定结果,可以准确地获得支点峰值径向动载荷,预测的峰值动态载荷与试验获取的结果误差小于10%,此方法可以运用到支点冲击载荷间接测量中,提高测量的精度及简便性。      

一种可任意给定环量分布的螺旋桨设计方法

提出了一种螺旋桨快速设计方法，该方法可以根据任意给定的环量分布及工况快速设计出高效率螺旋桨的几何外形（桨叶弦长、扭转角分布）。为对比有叶素阻力与无叶素阻力的最佳环量分布形式，首先对计入和不计叶素阻力下的最佳环量分布表达式进行了推导，分析了各参数对最佳环量分布形状的影响。然后基于片条理论进行了逆向推导，建立了以环量分布为输入的螺旋桨快速设计方法，并分析了螺旋桨理想效率的影响因素，发现理想效率的水平与来流动压、桨盘载荷有关。最后进行了螺旋桨设计实践，对比分析了不同环量分布下螺旋桨性能的差异。结果表明，所提出的设计方法能够根据给定环量分布进行精确设计，相对误差不超过7%，设计性能与参考文献中设计结果的差别不超过2%。      

肋片扰流对柱肋通道传热和压损影响

针对涡轮叶片内部通道上、下游不同冷却结构的相互影响,采用瞬态液晶实验方法研究了上游90°、60°,V形和W形四种肋片诱导产生的入口条件,对柱肋通道传热分布、强化传热水平和压损的影响,并与无肋片(均匀入口条件)的柱肋通道进行了对比。结果表明,相比于无肋片情况的均匀入口条件,肋片诱导的涡流使柱肋通道底面的传热分布在展向变得不均匀。肋片在增强柱肋底面传热的同时降低了通道压损,从而提升柱肋通道的综合换热效率(但整体通道的流动损失增加了)。其中,W形和90°肋片使柱肋通道具有最高的传热效率,其次是V形和60°肋片,不带肋片的情况的综合传热效率最低。      

缘板阻尼结构减振特性的影响因素分析

基于简化的叶片-缘板阻尼结构模型，开展缘板阻尼结构干摩擦阻尼减振特性的计算分析。阐述了谐波平衡法预测叶片响应的基本原理，并提出了一种基于离散傅里叶变换的雅克比矩阵快速计算方法，结果表明:该方法能够实现谐波平衡法的加速，并使叶片响应计算效率提高8倍以上。在此基础上，重点探究了离心力、缘板阻尼块质量、激振力、缘板倾斜角及缘板阻尼块转动等因素对叶片响应特性的影响，并总结上述关键设计参数对叶片-缘板阻尼结构减振特性的影响规律。      

叶根连接模型的干摩擦微滑移性能

采用在接触面上建立多个接触对以模拟叶根处微滑移的方法和控制变量法，获取稳定状态下二维叶根接触面上摩擦力和相对位移的迟滞回线，分析评估了参考点、网格分配、切向和法向载荷、接触刚度、摩擦因数等参数在微滑移中的影响，从一个新角度考察了叶根干摩擦微滑移的性能。分析结果表明在采用微滑移模型研究叶根连接时，不同参数的选择对其干摩擦性能均有影响。接触单元的数量影响结果的精度，接触面上参考点的选择影响迟滞回线的描述，切向载荷影响迟滞回线中相对位移的大小；法向接触刚度的降低会明显增加相对位移和微滑移区域的大小，切向接触刚度的增加使叶根处更容易进行类似刚体运动的宏观滑移；摩擦因数和正压力的增加使得微滑移区域增加，但两者的影响并不完全一样。同时，从耗散能的角度研究了接触参数的减振效果。      

槽间垫片功用分析及减振机理试验

针对国内高涵道比涡扇发动机风扇叶片的设计亟需,分析得到槽间垫片功用及设计要求,并通过机理试验揭示了槽间垫片减振机理。研究结果表明:在常规简谐激励作用于风扇叶片时,槽间垫片并不能提供有效阻尼,无法起到减振作用。在高能冲击载荷作用于风扇叶片时,槽间垫片可以起到较好的阻尼作用,快速地衰减自由振动,降低疲劳损伤积累。金属橡胶或橡胶槽间垫片能使叶片的冲击响应时间减少50%以上。槽间垫片应设计足够大的预紧力以实现叶片稳定的径向定位,降低风扇叶片在风车状态时的晃动幅值,减小榫头榫槽接触磨损;应具备足够大的柔度,确保高能冲击载荷下允许叶片偏摆一定的角度,通过垫片变形吸收冲击能量,从而降低叶片根部应力峰值。      

涡轮叶片叶冠扭转角三坐标测量方法研究

涡轮叶片形状复杂不规则,其叶冠扭转角度为空间夹角。如果采用平台测量,无法找到测量基准;如果制作专用工装,不仅效率低而且无法保证所需要的精度。本课题拟采用三坐标测量法对叶冠扭转角度进行测量。     

火箭发动机涡轮叶片疲劳寿命可靠性分析

由于生产加工和使用过程中材料属性、结构尺寸以及工作载荷等的随机性,疲劳寿命通常存在较大的分散性。考虑结构几何参数、材料属性、工作载荷等变量的随机性,采用Monte Carlo模拟法与响应面法相结合,对液体火箭发动机涡轮叶片进行概率疲劳寿命分析,确定了涡轮叶片疲劳寿命可靠度模型,并分析了疲劳寿命对各随机变量的敏感度,以及变量分散度对疲劳寿命的影响。结果表明:疲劳寿命呈偏态分布;涡轮入口温度对叶片疲劳寿命影响最大,材料的低周疲劳性能参数对寿命影响较大,转速及热膨胀系数对寿命有一定影响,而其他参数对寿命的影响小;控制变量分散度是提高叶片安全寿命的有效途径,对单变量而言,控制涡轮入口温度分散度效果最显著。     

高压涡轮叶片叶尖裂纹激光焊修复研究

在修理某发动机时,发现很多高压涡轮叶片叶尖出现超出使用技术条件规定的裂纹,导致大量叶片报废,分析认为裂纹的产生是"钉扎效应"的结果,而且是先腐蚀后开裂的。为修复这些高压涡轮叶片,缩短发动机修理周期、降低修理成本,采用高钨、锰含量的镍基超合金作为补焊材料,同时采用固体激光脉冲焊接的工艺方法对产生叶尖裂纹的高压涡轮叶片进行了修复。修复后的高压涡轮叶片经去除应力、热处理等工序步骤后,通过了热冲击试验、整机试车考核和装机使用,说明采用该种修理工艺修复的高压涡轮叶片可以满足装机使用要求。