基于失效概率的涡轮后机匣全局灵敏度分析

涡轮后机匣是航空发动机安全的关键部件,但是其具有工况复杂、不确定性因素多的缺点。为了探究输入随机变量的不确定性对涡轮后机匣结构失效概率的影响,建立参数化有限元模型进行确定性分析。考虑材料性能、几何参数及外部载荷的不确定性,对涡轮后机匣两种典型失效模式：强度失效以及刚度失效建立极限状态函数;通过构造自适应Kriging 代理模型并结合重要抽样方法评估涡轮后机匣结构失效概率,利用基于失效概率的全局灵敏度方法对涡轮后机匣结构可靠度的不确定性来源进行分析,对各输入随机变量重要性进行排序,构建一种涡轮后机匣全局灵敏度分析框架。结果表明：涡轮后机匣在两种失效模式以及系统失效模式下,发动机推力以及线性膨胀系数对结构失效概率影响最为显著,应对其重点考虑;内外机匣长度以及材料弹性模量对涡轮后机匣结构失效概率影响较小,可对其适当忽略。     

某型发动机涡轮后机匣三层异种材料错位孔的精密加工和稳定性改装

提经计算分析,某型发动机涡轮后机匣工作中处于非紧度状态,影响支承结构的稳定,需进行结构改装。采用复式小余量铰孔、精密研磨等技术对涡轮后机匣三层异种材料错位孔进行了精密加工和稳定性改装,提高了该型发动机涡轮后机匣的连接稳定性。     

TBCC发动机进气机匣流道评估与优化

对涡轮基组合循环(TBCC)发动机进气机匣进行全三维流场计算,评估进气机匣流道的流场和性能,发现进气机匣流道中气流损失过大,总压恢复系数不满足指标要求,需进行优化。然后根据流场分析结果和流道截面积变化,使用三次样条插值方法对进气机匣流道进行优化,使流道截面积变化更为平缓。对修改设计后的流道再进行全三维流场计算分析,反复迭代使得最终的进气机匣流道和支板的总压恢复系数大幅提高,并满足指标要求。     

涡轮叶尖热主动间隙控制系统布局分析

涡轮叶尖间隙控制系统是现代军、民用大涵道比航空发动机普遍采用的提高发动机性能的重要系统之一。本文分析研究了现代大涵道比航空发动机典型的涡轮叶尖热主动间隙控制（ACC）系统的结构布局及冷却空气流向，根据各自特点将其总结归纳为双层机匣内置冲击隔板和机匣外部环绕冲击冷却管两种形式。其中，双层机匣内置冲击隔板布局结构简单，采用的引自高压气源的冷气在实现间隙控制功能后可以用于二次冷却其他部件，但从高压压气机中间级引气的性能代价比较高，因此实际应用较少。机匣外部环绕冲击冷却管布局结构件较多，但可以实现冷却管与机匣外壁凸肋的紧密配合，从而实现最优的冲击靶向位置及冲击距，增强机匣热响应效率，而且采用引自风扇后低压气源的冷气的性能代价低。从发动机实际应用来看，机匣外部环绕冲击冷却管布局在现代大涵道比发动机上应用较多，成为涡轮热主动间隙控制系统结构布局的发展趋势。     

核心机涡轮后机匣强度和稳定性计算

涡轮后机匣的结构比较复杂，它又承受许多不同状况的外力作用。本文采用ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ结构分析程序系统对它进行了应力分析和稳定性计算，并用Ｉ－ｄｅａｓ图形软件作后置图形显示。     

基于中子衍射技术的涡轮后机匣内部残余应力评估

针对某航空发动机斜支板涡轮后机匣试车后出现的裂纹故障，利用中子衍射技术对后机匣进行了内部残余应力测试分 析。建立了后机匣K4169合金中子应力快速测量方法，实现了应力测量精度≤20 MPa，最短单点测量时间≤5 min，1维空间分辨率≤1 mm。建立了K4169合金部件表层应力梯度的中子测量与解析方法，并限定入射束尺寸。利用近表面处衍射强度与质心的关系对衍射信息进行矫正，实现了具有0.1 mm 1维空间分辨率的应力表征能力。开展了后机匣周向和轴向的残余应力分布研究，结果表明：涡轮后机匣基体存在粗大晶粒组织，后机匣外壳存在平均300 MPa的周向压应力，后机匣斜支板存在400～500 MPa的拉应力。裂纹故障与粗晶/细晶组织之间残余应力分布差异有一定关系。     

温度与转速对涡轮叶尖径向间隙的影响

给出了考虑温度和转速影响的涡轮叶尖径向间隙的分析计算方法。用ＡＮＳＹＳ有限元软件计算出涡轮叶径向间隙的时间历程变化趋势,其中叶盘径向位移主要考虑温度和转速的影响,机匣径向位移主要考虑温度的影响。该分析计算方法为进一步开展涡轮叶尖径向间隙主动控制的研究奠定一定的基础。     

某涡轮后机匣裂纹失效机理分析

为排除某航空发动机斜支板涡轮后机匣在试车后出现裂纹的故障,进行了裂纹宏观检查、断口宏观和微观形貌分析、材质检查、细晶层成因及其对疲劳特性影响分析,并对裂纹性质进行了判定,分析了产生裂纹故障的原因。结果表明:斜支板涡轮后机匣裂纹为疲劳性质,原始铸造冷隔缺陷、热等静压工艺产生的细小再结晶层、基体晶粒粗大是促使涡轮后机匣过早疲劳开裂的主要原因。为避免该类故障再次发生,建议提高浇注温度以增强浇注液流动性,从而排除冷隔缺陷;防止热等静压时产生表面细小再结晶;添加细化剂使基体晶粒细化。     

JT8D发动机热检中提高涡轮转子叶片冠部与机匣封严配合间隙精度的重要性及其方法

本文旨在解决JT8D发动机涡轮转子叶片冠部与机匣封严的碰磨问题．文中通过对2起飞机发动机故障的仔细、深刻分析，阐述了涡轮转子叶片冠部与机匣封严碰磨问题的危害性；同时，作者运用理论知识和多年的实践经验论证了造成涡轮转子叶片冠部与机匣封严碰磨的原因，并提出了具体解决办法。通过实践，按照本文中所述的解决办法，对飞机发动机进行调整，碰磨问题能够彻底得到解决，从而确保了发动机工作的可靠性，保证了飞行安全。     

高压涡轮主动间隙热控制系统机匣传热特性试验

设计了实际尺寸高压涡轮（HPT）主动间隙控制（ACC）系统机匣组件试验件,模拟ACC系统在高温、高压条件下的工作状态,研究了HPT机匣的温度分布规律,以及机匣温度随冷气雷诺数的响应特性,验证了供气总管及冲击冷却管的流动特性。结果显示:供气总管压力分布均匀,冲击冷却管从进气端至封闭末端的沿程压力逐渐升高,但管内压力随冲击冷却管开孔面积比的增大而接近一致;当ACC系统不工作和工作时,机匣周向单点温度与平均温度最大相对偏差分别为48%和58%;而在ACC系统工作时,随冷气雷诺数的变大,涡轮外机匣温度能显著降低,试验工况中,机匣各冷却部位平均温度的降幅可达16%～37%,达到预期效果。基于试验测试数据,验证并改进了HPT机匣组件换热分析模型,该模型具有较高精度和良好适用性。      

不同轴向引气位置对自循环机匣处理的影响研究

针对转子失速时叶顶的具体流动情况,基于抽吸叶顶堵塞区低速流体的目的,设计了四种新的自循环机匣处理方案,探究其扩稳机理与常规自循环机匣处理的作用差异。数值计算选用Numeca Fine软件包的Euranus求解器,计算结果表明,通过抽吸叶顶堵塞区低速流体设计的自循环机匣处理结构,其达到的扩稳效果高于常规的自循环机匣处理。在优化设计中,当轴向引气位置位于转子叶顶堵塞区核心附近时,达到的扩稳效果最好,最大综合裕度改进量能达到15.00%。此外,本文还分析了自循环机匣处理后转子叶顶流场的差异,得出自循环机匣处理的扩稳机理在于把造成叶顶区堵塞流动的低速气流吸走,抑制了叶顶泄漏流动,改善了叶顶区的流动状况,以此来扩大转子的稳定工作范围。     

机匣造型设计对涡轮叶尖泄漏流损失的影响

针对带叶尖间隙的T106高负荷低压涡轮叶栅,基于耦合了Langtry-Menter转捩模型的Menter's SST (shear stress transport)两方程模型,数值研究了涡轮叶片全机匣造型和部分机匣造型对叶尖泄漏损失的影响.计算结果表明:机匣造型设计的引入重新组织了叶尖区域内的涡系结构及损失成分,且这一改变明显受到机匣造型圆弧高度的影响;叶尖间隙内靠近压力面分离泡的展向尺度增大,分离泡形成的堵塞效应降低了叶尖泄漏流动能;而部分机匣造型处理可以缓解叶片通道内因局部扩张而引起的横向流动,使得出口展向损失减小区域进一步扩大,从而造成叶栅出口损失的明显下降;相对原始机匣,最大降幅可达6.1%.间隙敏感性分析表明,两种机匣造型在一定的间隙范围内能够有效降低叶尖泄漏流损失,而且部分机匣造型具有更宽的有效间隙范围和更大损失减小量.      

周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究

为了验证周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的效果，本文在GE-E³高压涡轮第一级的机匣上引入周向单槽式机匣处理，通过数值模拟手段研究了周向单槽的轴向位置、槽宽和槽深对叶尖泄漏流调控的影响及周向单槽调控叶尖泄漏流的物理机制。结果表明：周向单槽的引入虽然会使叶尖泄漏涡尺寸变大，但会显著降低叶尖泄漏涡及机匣通道涡的强度，使得涡轮转子通道内流动总损失降低，涡轮级效率提高。在设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽，可以使涡轮转子通道内的流动损失相对减小9.10%，涡轮转子的效率提高0.40%，级效率提高0.85%。同时发现设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构，在非设计工况时也有良好的控制效果。     

高压涡轮瞬态叶尖径向运行间隙计算分析

为了改善现代航空发动机整体性能和可靠性,将热分析和结构分析耦合起来,以航空发动机从地面启动到巡航这一过程为研究对象,对涡轮转子进行瞬态叶尖径向运行间隙计算分析。在计算中考虑了材料、温度和离心载荷的非线性,以及惯性力和温度的复杂的边界条件,分别对叶片、轮盘和机匣的变形进行计算和分析,进而得出涡轮叶尖径向运行间隙的变化规律以及与试验相符合的计算结果。该计算分析方法为涡轮叶尖径向运行间隙的概率分析和优化设计奠定了基础。     

运输类飞机涡轮发动机机匣烧穿适航符合性验证研究

尽管涡轮发动机的设计水平在持续提升,但是服役经历表明涡轮发动机机匣烧穿事件仍在继续发生。本文分析了涡轮发动机机匣烧穿适航条款,总结了CCAR25.903(d)(1)中燃烧室机匣烧穿的适航符合性验证思路,并以某型飞机为例,建立机匣烧穿模型,确定受影响的关键部件和结构,并设计了火警探测系统及防护罩。验证表明,该型飞机满足适航条款要求。文章为运输类飞机进行相应设计考虑和符合性验证提供参考。     

复杂受载承力机匣的强度及疲劳寿命

本文首先论述了航空发动机承力机匣应力分布计算与试验,指出这类机匣的有限元计算,一般可分为:模型估算、真实机匣应力分布计算和局邮结构的详细计算。其次介绍了圆筒机匣热应力理论与试验研究的基本方法与主要成果。最后从机匣低循环疲劳寿命预测的初步探索的角度,说明了缺口构件在常温与高温条件下的低循环疲劳寿命预测工作的一些进展。     

涡轮盘低循环疲劳寿命可靠性研究

通过对某型航空发动机高压涡轮盘的弹塑性有限元分析,确定危险区域,利用Masson-Coffin公式及Miner线性累积损伤理论计算了涡轮盘在主循环和次循环同时作用时的低循环疲劳寿命。在确定性寿命计算的基础上,考虑参数的随机性,进一步对涡轮盘低循环疲劳寿命进行可靠性研究。利用响应面法和Monte Carlo法相结合的方法计算高压涡轮盘低循环疲劳寿命的随机响应,并对随机因素进行灵敏度分析,得到影响涡轮盘寿命的主要因素。     

机匣类零件几何变形测量方法的研究与探索

针对机匣类零部件的几何变形测量问题,本文基于组合测量原理,提出了一种通过采集每个安装节处的变形量而获取机匣总体变形参数的技术方案.首先,分析了被测涡轮后机匣的结构特点,建立了机匣几何变形的数学模型并进行了公式推导,解算出了变形后的机匣轮廓形状与偏心位移的表达式;而后应用多台激光位移传感器搭建了非接触式的机匣几何变形精密...     

大扩张角子午流道型线对损失的影响

采用数值计算方法对具有大扩张中间机匣的某型涡轮低压级子午流道型线进行了改型设计，提出了7种型线设计方案，并应用N－S方程全三维粘性求解程序对7种方案进行了验算，结果表明：子牛扩张型流道外壁型线的改变，对低压导向器出口能量损失的影响是显著的，设计气动性能优良的子午扩张型线能明显削弱由于大扩张角引起的气流分离，降低涡轮低压级的损失。     

涡轮后机匣的结构动力学精确建模

构建精度高、规模适中的部件动力学模型,是航空发动机在研制初期实现从结构部件到整机的动力学特性准确分析的有效途径。为构建满足工程需求的部件结构动力学模型,依据某装配组合式涡轮后机匣的结构特点,提出了其各构件的“超模型”建模及装配组合形式的连接件分类建模的方法,实现装配组合式涡轮后机匣的整体“超模型”建模。同时,进一步介绍了各构件的“超模型”建模步骤、基于有限元单元网格尺寸变化的收敛准则,建立了自由度490万的后机匣构件“超模型”“,超模型”构件的频差精度可达1%以内;利用薄层建模法模拟多螺栓连接结构、采用接触对模拟支板搭接处的接触连接。装配组合后的涡轮后机匣“超模型”通过动力学分析,结果表明后机匣前8阶为整体振动模态。整体“超模型”的建立,可以代替研制样机提供虚拟试验数据,实现简化模型的修正和确认,为研制初期的结构动力学特性精确分析提供技术支撑。可推广应用到发动机其他部件及整机的精确建模中。