航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳研究进展

航空发动机和燃气轮机在海洋环境下服役时,热端部件承受高温、高压、高转速机械载荷和高盐雾、高湿度等腐蚀环境耦合作用,常发生热腐蚀-疲劳失效,影响结构完整性、安全性和可靠性。本文针对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳失效问题,总结和分析了涡轮盘、涡轮叶片高温合金及涂层热腐蚀机理,涡轮盘、涡轮叶片高温合金热腐蚀-疲劳失效机理以及热腐蚀-疲劳寿命预测模型和寿命评估方法,并对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳试验研究和寿命评估方法的发展趋势进行了展望,以期促进燃气-海洋环境耦合作用下热端部件结构完整性评定方法的发展。     

一起典型的FJ44-1A发动机金属末故障分析

航空发动机滑油系统发现金属末意味着这发动机部件之间出现了过度磨损,这类故障严重影响飞行安全,必须查明故障原因并纠正。本文根据多次发动机热端部件检查的实践经验,对一起由于安装不当造成发动机轴承磨损的故障进行了分析,并总结了FJ44-1A发动机热端部件装配的若干经验。     

铁弹性稀土钽酸盐RETaO4陶瓷的热物理性质研究进展

工作温度是决定航空发动机、燃气轮机和高超声速飞行器发动机等大国重器的燃油利用效率和能量转换效率的关键因素。热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）材料主要应用于高温合金零部件表面隔热降温,以提高合金零部件的工作温度。当前使用的热障涂层材料氧化钇稳定氧化锆（Yttria Stabilized Zirconia,YSZ）存在热导率高、热膨胀系数失配和工作温度低等问题,无法满足应用需求,亟需开发新一代低热导、高工作温度和长寿命的热障涂层材料。稀土锆酸盐、稀土磷酸盐、稀土硅酸盐、稀土铝酸盐和稀土铈酸盐等陶瓷材料存在断裂韧性不足、热膨胀系数低和高温相稳定性差等问题,无法取代YSZ成为新一代超高温热障涂层材料。铁弹性稀土钽酸盐RETaO₄（RE代表稀土元素）陶瓷具有独特的铁弹性相变增韧、低热导率、高热膨胀系数和低杨氏模量等特点,被作为下一代超高温热障涂层材料进行了广泛研究。本文总结了此类稀土钽酸盐陶瓷在热学、力学和结构等方面的研究进展,主要包括晶体结构、微观组织以及力学（硬度、模量和声速）和热学（热导率、热膨胀系数和高温相稳定性）性质等,探讨其作为下一代超高温热障涂层材料的可能性,为未来研究提供参考。     

军用飞机结构使用寿命研究概述

使用寿命是军用飞机的重要性能指标,而飞机结构的使用寿命是决定飞机使用寿命的基础。文章对飞机结构的寿命体系进行了介绍并探讨了影响飞机结构使用寿命的因素,对目前国内外研究现状进行了回顾,对管理飞机寿命的日历寿命体系评定技术进行了分析,在此基础上指出后续研究中应重点解决的几个关键问题。     

航空发动机主轴承使用状态寿命预测模型(英文)

航空发动机主轴承寿命的实际可靠预测对于发动机的安全运行至关重要。使用状态寿命(即状态良好、初始损伤、故障发展和即将失效4个寿命阶段)描述航空发动机主轴承的使用寿命,并提出了一种基于支持向量机和模糊逻辑推理的主轴承状态寿命分析模型。首先,讨论了理论计算模型,采用轴承疲劳累积损伤模型,利用修正的Lundberg-Palmgren模型,结合飞参记录数据计算主轴承装机以来的累积寿命消耗,确定状态寿命的理论值。然后,详细阐述了状态寿命评估模型,该方法通过选取轴承振动的时域、频域统计量作为特征矢量,利用支持向量机作为辨识算法进行滚动轴承状态寿命的智能评估。最后,基于模糊逻辑推理融合主轴承状态寿命的理论计算模型和状态寿命评估模型得到主轴承状态寿命模型。采用滚动轴承的全寿命试验验证模型的有效性和可行性。     

涡轮榫接疲劳寿命评估及验证：研究现状及展望

介绍了涡轮榫接结构疲劳寿命评估技术的研究现状,分别从多场载荷分析、裂纹萌生寿命评估、裂纹扩展模拟和试验技术等方面探讨了现有研究的进展、不足以及发展趋势,重点论述了涡轮榫接结构使用寿命和损伤容限的评估方法。结果表明：现有的分析和试验方法能基本实现涡轮榫接的疲劳寿命评估,但由于各种局限性,工程适用性亟待提高,仍需稳健的载荷降阶分析方法、基于物理机制和数据驱动的寿命评估方法、载荷历程相关的裂纹扩展寿命评估方法和复杂热力环境下的试验技术,从而建立先进航空发动机涡轮榫接结构疲劳寿命评估及验证体系。     

变轨期间对接机构对接锁系温度场数值模拟

采用节点热网络法,建立了目标飞行器尾部组合系统(发动机组和对接机构)温度场数值模拟的物理、数学模型,明确了关键参数的计算方法,应用隐式R-K法,耦合求解非线性温度微分方程组.着重研究变轨期间对接锁系受高温变轨发动机的热影响.分析表明,发动机高温热辐射对邻近对接锁系的热影响很大,发动机热影响范围大致在θ±Δθ=(90±30)°和θ±Δθ=(270±30)°区间,发动机相对安装距离R、变轨起始时刻和工作时间是影响对接锁系温度的重要因素,而发动机安装倾角对对接锁系温度的影响非常小.     

磨料水射流去除等离子喷涂法热障涂层的试验研究

热障涂层技术在航空发动机中具有延长热端部件使用寿命、提高功率和减少燃油消耗的优点。对热障涂层金属构件进行电火花小孔加工时,需要先去除金属基体表面的热障涂层。针对等离子喷涂法（Air plasma spray, APS）制备的热障涂层进行了磨料水射流去除加工试验。采用直径为300 μm的低压磨料水射流,在室温下开展APS涂层的盲孔加工试验,以期为后续的电火花穿孔加工提供可能性。结果表明,冲蚀孔径和孔深随磨料浓度、射流压力、冲孔时间和靶距的增加而增大,涂层去除速率随磨粒硬度和粒径的增加而提高,APS涂层的冲蚀效率明显高于EB-PVD涂层。     

超低温自补偿应变片及其性能

为了确保火箭液氢液氧贮箱、氢氧发动机以及其他各种结构或部件安全可靠,必须准确地了解结构或部件在低温环境下的应力大小及其分布。目前,在低温下测量结构或部件应力的唯一有效方法,仍然是采用低温应变片的电测方法,它不仅具有价格便宜,安装方便等优点,而且所用的测量仪器简单,测量精度高,便于多点自动测量及数据的自动处理。通常市售的应变片,由于它们由温度变化产生的热输出值相当大,容易造成较大的误     

特殊环境飞行后发动机清洗技术的改进

由压气机、燃烧室、燃气涡轮和功率涡轮等主要部件组成的燃气发生器是发动机的重要组成部分。它工作的正常与否,直接影响着飞行安全。因此对发动机系统的维护历来都是机务工作中一个十分重要的环节。这项工作的好坏,除直接影响发动机性能之外,还影响着发动机寿命,从而影响着飞行安全及经济效益。所以这项工作常常需要投入大量的人力、物力、财力。通过多年来的工作实践,总结分析得出以下结论:在飞机发动机的维护工作中,对发动机燃气发生器部件的清洗起着很重要的作用。因积炭、氧化物、硫化物等构成的污垢得不到及时的清洗或用不科学的方法进行清洗,不能彻底地清除污垢,使得压气机涡轮工作效率降低,散热状况恶化,     

考虑脆弱性的航空发动机剩余寿命预测

比例危险模型采用协变量的方式综合多个参数实现对系统的剩余寿命预测,已在航空发动机中得到了应用。然而由于传统比例危险模型是以假设多个研究样本独立同分布,即基本失效率相同为基础的,但对于航空发动机而言,由于运行环境和使用的不同,基本失效率存在差异。研究表明,忽略样本之间的差异会导致估计结果存在严重偏差。为此,本研究将引入用于表达样本之间非独立性的脆弱性概念,针对航空发动机,建立更具普遍性的脆弱性比例危险模型,首次应用于航空发动机的剩余寿命预测。通过实例表明,基于脆弱性比例危险模型得到的预测结果平均误差为4.6%,而基于传统比例危险模型的预测结果平均误差为6.9%,验证了脆弱性比例危险模型在航空发动机剩余寿命预测中的有效性。     

工程构件疲劳寿命估算的三维临界域法

临界域法将缺口附近区域中某点、线或面上的应力特征值作为材料失效的判断条件,能较合理地解释缺口效应现象,因此被认为是一类具有工程应用前景的缺口件疲劳寿命估算方法。本文首先结合三维工程结构的实际特点,详细阐述了适用于三维结构的应力场强法和临界距离法,对其中若干参数进行了准确定义和描述。然后,本文分别使用这两种方法和名义应力法对某型航空发动机轮盘进行了疲劳寿命估算。结果表明,本文给出的适用于三维结构的应力场强法、临界距离法能很好地预测航空发动机轮盘的疲劳寿命;而且相比于名义应力法,预测效果更好。     

某型航空发动机高压涡轮叶尖间隙数值分析

为提高现代航空发动机的性能和可靠性，国内外许多研究机构都先后开展了叶尖间隙控制技术方面的研究，而进行叶尖间隙的数值分析是其中的重要内容之一。本文采用有限元数值分析法，结合某型发动机高压涡轮，分析了叶片、轮盘和机匣的热－结构耦合变形及涡轮叶尖间隙的变化规律，得到了较为合理的计算结果。计算分析表明：在发动机快速加、减速的情况下，叶尖间隙的变化较大；涡轮叶片的热响应最快，涡轮盘的热响应最慢；发动机在采用了控制机匣温度的方法后，叶尖间隙得到了有效的控制。     

文摘

协和式飞机大型结构部件的疲劳试验《NASA N 72～29915》本文对协和式超音速运输机的结构组件的疲劳试验进行了报导。飞机的两个主要部段经受了压力、机械载荷以及靜热试验。对疲劳试验的型式和得出的结果进行了讨论。在超音速飞机上应进行许多疲劳和靜强度研制试验,并且结构的被劳和热试验是完全必要的。     

热力发动机凸轮轴凸峰及液压平面挺杆体磨损故障分析

热力发动机凸轮轴和挺杆体是发动机的重要工作部件之一 ,它们性能的好坏直接影响着发动机的正常工作 ,因此 ,认真分析其基本受力情况 ,研究、探索有针对性的维护措施 ,对于我院数量众多的热力发动机维护保障工作可以起到良好的指导意义。本文从分析凸轮轴和挺杆体磨损的原因入手 ,详细剖析了相对滑动、润滑条件和接触应力对其工作环境的影响机理 ,并提出切实有效的预防性维护措施 ,可以大大提高凸轮和挺杆体的工作可靠性 ,延长其工作寿命。     

碳纤维增强碳化硅基复合材料的低温铣削研究（英文）

碳纤维增强碳化硅基复合材料(C_f/SiC复合材料)是航空航天高端装备热端构建最具潜力的新型高温结构材料,但是其干切削存在切削温度高、刀具磨损快和加工损伤严重等问题。本文研究了C_f/SiC复合材料的液氮低温铣削特性,并开展了低温切削和干切削的对比试验研究。阐明了铣削用量和低温介质对切削温度、切削力、加工表面质量和刀具磨损的影响规律。结果表明,液氮低温铣削C_f/SiC复合材料的切削温度比干切削降低了40%—60%;低温铣削中,随着铣削用量的增加,切削力逐渐升高;低温铣削的加工表面质量优于干切削。C_f/SiC复合材料的去除机理主要包括纤维断裂、基体破坏和纤维与基体脱黏等。PCD铣刀的主要失效形式是后刀面磨损,液氮低温铣削中低温阻碍了PCD铣刀中粘结剂Co软化和金刚石相变,因此刀具寿命得到提高。     

燃烧室结构高温变形非接触测量试验研究

为获得地面试验中主动冷却燃烧室在高温状态下的结构总变形和局部应变,基于数字图像相关法开展了非接触测量试验研究。分别采用加速鲁棒特征算法和改进的圆柱曲面数字图像相关法完成了燃烧室结构总变形和局部应变测量及分析。测量结果表明,燃烧室稳定工作条件下,结构轴向总变形约4.8 mm、局部平均应变约0.0049。测量结果与工程粗略估算结果比较吻合,说明所使用的非接触测量方法有效,能够支撑燃烧室热结构设计,测量数据能够用于三维结构强度数值计算的验证。     

涡轮基组合循环发动机分布式控制系统通信网络混合拓扑结构优化方法

涡轮机组合循环(Turbine based combined cycle,TBCC)发动机控制系统通信网络拓扑结构是其分布式控制系统方案设计的重要部分,优化网络拓扑结构可提高发动机推重比和控制系统可靠性。本文基于智能优化算法提出TBCC分布式控制系统网络拓扑结构优化方法。基于图论建立TBCC几何模型和网格模型,以重量和可靠性为优化性能指标,同时考虑发动机表面高温区域以及控制节点的工作可靠性,分别采用粒子群算法和遗传算法优化星形结构中智能中央节点位置、中央节点的环形拓扑结构,获得星形-环形混合拓扑结构。仿真实例表明,基于本文方法优化所得的混合拓扑结构相较于星形集中式控制结构,系统重量降低了51.9%。     

热结构高温应变光学测量技术发展探讨

高速飞行器热结构的高温应变测量问题是目前制约热结构发展的瓶颈问题。热结构多采用陶瓷基复合材料,该类材料具有热膨胀系数小和弹性模量大的特性,工作环境温度高于一般的金属材料和有机复合材料,因此热结构的应变测试需要适应更高的温度状态,与此同时,还需要有更高的应变测试精度、更高的应变测试分辨率以及十分精确的热力解耦。近几年,高温光纤传感、高温数字图像为代表的先进光学测量技术的发展,为在航天工程上突破高温应变测量问题打下了基础。本文关注于高温应变光学测量领域最新的技术发展,并对后续的发展方向给出思考和建议。     

3D C/C复合材料超高温剪切性能试验研究

C/C复合材料同时结合了纤维增强复合材料高性能、可设计性和碳素材料优异的高温性能和化学稳定性等优点，广泛地应用于固体火箭发动机喷管、高速飞行器头部与翼前缘等热端部件。怎样正确评价C/C复合材料的超高温力学性能，成为了其能否合理使用的关键因素之一。本文将基于C/C复合材料良好导电特性的试样直接通电加热技术与复合材料双切口压缩剪切试验技术（DNS）相结合，提出了一种可用于温度达3000℃的材料超高温剪切性能试验方法。利用该方法完成了3D C/C复合材料室温～2800℃温度范围的剪切性能试验研究，红外热像仪测试结果显示在试样标距区内温度场分布较均匀，全场应变测试系统测试结果显示在试样标距区内应变分布较均匀，室温下双边切口压缩试验方法与Iosipescu试验方法测试剪切强度具有好的一致性，该方法适用于C/C复合材料超高温剪切性能试验研究。3DC/C复合材料具有显著的剪切非线性，剪切强度在一定温度范围内随温度的升高而增加，在2400℃左右达到最大值，而后随温度增高而降低；材料的主要破坏模式为薄弱面的宏观裂纹扩展、纤维束剪切破坏与拔出。