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。     

涡轮盘的破裂分析

某烟气轮机涡轮盘发生了盘缘断裂掉块事故,某航空发动机Ⅰ级涡轮盘也大量发生槽底裂纹的故障。我们对这两个盘的盘体和槽底部分用轴对称和平面8节点等参元有限元法对温度场(包括瞬态温度场)与应力场进行了计算,从而对涡轮盘在不同工作状态下的应力分布及故障原因进行了分析。本文着重阐述冷却条件对于涡轮应力分布是十分重要的,同时,不应忽视轮缘的应力水平,在某特定工作状态下,轮缘的应力值可能远远超过轮心,而且循环的应力幅值也很大,且由于载荷与几何形状的复杂性,在轮缘与榫齿的过渡段上出现较大的应力集中,往往成为裂纹源区;本文最后分析了轮缘残余应力形成及对槽底径向裂纹的生成与扩展的影响。     

某型发动机涡轮盘销钉孔结构分析与寿命评估

利用有限元方法计算了某型发动机涡轮盘径向销钉孔的应力应变分布, 分析了不同销钉数目、孔销之间的不同摩擦系数和涡轮盘是否施加扭矩对销钉孔周边应力的影响, 发现了前期试验状况与实际使用的差异.利用拉伸应变能寿命预测公式进行了寿命评估, 与试验有较好的一致性.有限元计算及试验结果说明了涡轮盘加扭疲劳试验的必要性, 为某型发动机高压涡轮盘的延寿工作提供了依据.      

某型发动机涡轮盘表面严重缺陷的修复及应力分析

分析了涡轮盘表面严重扎刀缺陷的危害,提出了用大半径圆弧工替缺陷半径,减小应力集中的修复方案,用三维有限元方法分析了修复后涡轮的应力分布,修复后的涡轮盘已装机服役近三年使用正常。     

先进涡轮盘结构强度对比分析

为减小航空发动机涡轮盘应力,减轻质量,提高发动机推重比,介绍了3种先进涡轮盘,即纤维增强涡轮盘、双辐板涡轮盘和整体涡轮叶盘的结构特点和工艺难点,提出其未来的研制设想;应用有限元分析软件对传统涡轮盘与3种先进涡轮盘进行了强度对比分析和质量计算.结果表明:3种先进涡轮盘在强度和质量方面较传统涡轮盘具有优势,突破相应的关键技术后,可应用于未来高推重比发动机中.     

载荷敏度抑制下涡轮盘拓扑优化及结构演化

航空发动机涡轮盘工作时承受的离心载荷是一种典型设计相关载荷,这类问题的变密度结构拓扑优化需要解决低密度单元的材料附属效应和目标函数非单调等求解上的困难。基于变密度拓扑优化模型,运用指数型材料性能近似(EAMP)模型避免材料附属效应并提高收敛速度;构造了一种新的灰度抑制方法减小拓扑结构灰度;提出载荷敏度抑制算法求解设计相关载荷的拓扑优化问题。算例表明算法有效并且灰度单元少、收敛速度快。通过载荷敏度抑制系数讨论,从拓扑优化算法角度揭示了传统单辐板涡轮盘与近年广泛研究的双辐板涡轮盘结构之间的联系及演化规律。     

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。     

双辐板涡轮盘结构强度分析

对双辐板涡轮盘的结构特点和工艺难点进行了介绍,通过与传统涡轮盘进行对比阐述了双辐板结构的先进性,并应用有限元分析软件对传统涡轮盘和双辐板涡轮盘进行了强度分析。结果表明:双辐板涡轮盘在强度和质量方面具有优势,对双辐板涡轮盘未来的研制提出了设想。     

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。     

某重型燃气轮机涡轮部件结构设计分析

简要分析了某重型燃气轮机的气冷叶片、叶尖间隙、整体蜂窝外环和后支承环组件等涡轮部件结构设计的一些独特设计思路和方法。     

基于核主成分分析的涡轮盘结构设计优化

为解决轮盘形状优化过程中变量多且高度非线性的问题,建立了基于核主成分分析(Ker?nelized Principal Component Analysis,KPCA)技术的航空发动机轮盘优化方法.利用控制点形式的非均匀有理B样条(NURBS)曲线构造涡轮盘截面形状,以控制点的坐标作为设计变量;利用实验设计(DOE)进行...     

某型航空发动机涡轮盘结构可靠度计算

针对传统涡轮盘确定性应力和寿命计算上对参数分散性考虑的不足,采用应力—强度干涉法和模糊概率积分法(FPI)计算某型航空发动机涡轮盘关键位置的结构可靠度,将两种方法结果进行对比分析,说明FPI方法的有效性和快速性,并分析了干涉法计算中的某些近似对可靠度计算结果带来的影响,最后采用FPI方法计算了整个涡轮盘的结构可靠度分布,该结果对掌握整个涡轮盘的可靠度水平及对涡轮盘进一步设计具有参考价值。      

重型燃气轮机氮氧化物排放研究

针对燃气轮机氮氧化物的排放问题,通过对4种氮氧化物生成原理进行深入分析,给出了基于摩尔分数、燃气温度和压 力的氮氧化物生成速率的计算公式。表明氮氧化物生成速率与压力成幂函数关系,幂次分别为0.5、1.0和1.5,是温度的指数和幂 函数组成的复杂函数关系。通过冷态掺混试验获得了燃气轮机燃烧室中心预混区的不均匀度。在预混燃烧的燃气温度表征为以 平均燃烧温度为中心的高斯分布、扩散燃烧为火焰锋面、当量比为1的假设前提下,分别建立了燃烧室环形预混区、中心预混区和 中心扩散区的氮氧化物生成模型。结果表明：氮氧化物生成模型的计算结果与测量值的最大绝对误差为3.2×10-6。利用模型控制 环形预混区平均温度在1853 K以下、扩散区平均温度在1923 K以下,可使燃烧室总排放量小于国标要求25×10-6的限定值。     

涡轮盘结构概率设计体系的研究

 基于涡轮盘结构确定性设计流程,将概率设计理念融入设计过程中,发展了涡轮盘结构的概率设计流程,初步建立了涡轮盘结构的概率设计体系。以涡轮盘结构的传统设计流程为基础,提出涡轮盘结构的概率设计准则,并建立了涡轮盘的概率设计流程。以某型航空发动机涡轮盘低循环疲劳失效为例,按照文中建立的概率设计流程,将形状优化设计结果作为初始结构方案完成了涡轮盘的低循环疲劳概率设计。通过与原设计结果对比表明,按照概率设计观点进行涡轮盘的结构设计能够兼顾结构静强度性能和结构强度可靠性,在满足可靠度的前提下降低涡轮盘的质量,有效地提高其设计质量,初步验证了涡轮盘概率设计流程的有效性和可行性。     

重型燃气轮机压气机叶片气动弹性稳定性初期预判

通过求解雷诺平均N-S方程并采用影响系数法,对某重型燃气轮机压气机叶片三个基本正交模态的叶片绕流问题进行了研究;同时结合有限元分析和稳定性参数分析,对压气机叶片气动弹性稳定性进行了初期预判。结果表明:以振型为判断标准的稳定性参数图,可作为压气机设计中气动弹性稳定性的预判工具;本文所述颤振稳定性初期预判方法,可为重型燃气轮机压气机气动弹性稳定性初期设计提供技术支持。     

某重型燃气轮机放气活门及排气管路的改进设计

针对某重型燃气轮机放气系统放气活门在结构设计上存在的问题,经过分析和论证,提出了改进方案,通过计算验证了该方案可以实施。     

R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟

采用SIMPLE算法,应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率／涡耗散化学反应模型,对R011O重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。将计算出的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致,火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。计算和对比分析的结果表明,计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。