热障涂层对涡轮动叶温度及应力的影响研究

为研究热障涂层对于涡轮叶片服役温度和应力的影响,以燃气轮机第一级涡轮动叶为研究对象,基于流热固耦合的数值仿真方法,分析了有无热障涂层及不同热障涂层厚度下,叶片的流动传热特征以及叶身应力响应变化规律,并将温度和应力分析结果与真实服役叶片热障涂层剥落和基体裂纹萌生失效等故障情况进行对比分析。结果表明：数值仿真方法可以揭示涡轮叶片实际运行中的温度和应力分布特征;热障涂层可有效降低叶片基体的平均温度,但是对于局部高温区,若没有良好的冷却设计配合,热障涂层的保护效果有限;热障涂层厚度变化未改变叶片高应力区位置,随着厚度增加,叶片危险部位的应力逐渐下降;对于本文的研究对象,与无热障涂层情况相比,0.4mm热障涂层可使得叶片高应力区域最大等效应力下降30～60MPa。     

服役工作条件对涡轮转子叶片蠕变寿命的影响

基于Larson-Miller蠕变寿命理论,定量地分析了高压涡轮相对转速、飞行高度H、径向温度分布系数(RTDF)偏离设计状态时对涡轮转子叶片蠕变寿命的影响.结果表明:以叶根位置来看,高压涡轮相对转速从参考状态减小2%,导致叶片温度减小6%,叶片应力减小6%,使蠕变寿命因子从1增大到186.H增大导致叶片温度增大、叶片应力减小.从叶根位置来看,在温度和应力的综合作用下,H偏离参考状态时,蠕变寿命因子减小;而远离叶根位置,温度对蠕变寿命因子的影响越来越大,蠕变寿命因子随着H的减小而增大.RTDF减小导致叶片温度减小,使蠕变寿命因子随之增大.      

单晶涡轮叶片定向凝固过程应力场数值模拟

针对单晶涡轮叶片壁厚尺寸精度偏低和壁厚尺寸漂移大等瓶颈问题,考虑叶片定向凝固过程边界条件不精确因素,通过实际温度数据采集,采用温度场与应力场耦合的有限元模拟方法,对单晶涡轮叶片定向凝固过程进行三维动态模拟,并结合单晶气冷叶片的工作状态,对模拟结果进行定性分析,得到应力分布规律。研究结果表明:当榫头进气窗口倒圆角R=0.5 mm时,叶片最大铸造热应力出现在榫头底面四大进气窗口区域,该区域最大应力比叶身截面最大应力高28.4%;该仿真方法可准确反映单晶涡轮叶片凝固过程温度/应力动态变化,将为避免叶片出现大铸造残余应力区,预防变形工艺,提高叶片壁厚尺寸精度及尺寸稳定性,提供量化参考依据。     

单晶叶片表层组织转变影响因素及其控制方法

针对单晶叶片铸件在高温热处理后,极易在结构畸变区域发生结构再结晶问题,本研究提出了一种基于单晶再结晶临界应力特性的叶片结构残余应力控制方法,旨在通过研究单晶合金再结晶的临界应力特性,并结合结构细节优化设计方法,将叶片结构残余应力水平控制在单晶再结晶临界应力的安全区域内。结果表明：诱发单晶叶片结构再结晶的两大因素是温度和应力集中水平,再结晶起源于不连续的胞状组织,且发生单晶再结晶时的临界应力与叶片结构设计参数、热处理温度之间存在一定的函数关系,经真实叶片试验验证,证实该方法可实现单晶叶片结构完整性与表层组织连续性的控制,有效抑制单晶叶片表层组织的转变。     

激励条件对发动机转子叶片疲劳试验响应影响规律

研究了航空发动机转子叶片振动试验中位移激励方向与叶片叶尖弦向之间夹角变化对叶片最大振幅、应力分布等的影响规律。数值分析和试验测试数据表明,叶片刚性固定时,叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系对振型、表面应力分布无显著影响,一阶振型下,叶片表面展向应力分量占主导;叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系影响激励与响应之间的传递函数,存在最佳的位置,使得叶尖振幅一定时,激励能量最小。研究结果对提高转子叶片疲劳性能评价技术具有参考价值。     

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkⅡ型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.      

激励条件对发动机转子叶片疲劳试验响应影响规律

研究了航空发动机转子叶片振动试验中位移激励方向与叶片叶尖弦向之间夹角变化对叶片最大振幅、应力分布等的影响规律。数值分析和试验测试数据表明,叶片刚性固定时,叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系对振型、表面应力分布无显著影响,一阶振型下,叶片表面展向应力分量占主导;叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系影响激励与响应之间的传递函数,存在最佳的位置,使得叶尖振幅一定时,激励能量最小。研究结果对提高转子叶片疲劳性能评价技术具有参考价值。     

带热障涂层导向器叶片二维温度场及热应力分析

本文针对某型发动机带涂层导向器叶片在设计状态时的温度和应力分布进行了有限元分析与研究。陶瓷热障涂层的本构模型采用了先进的 Walker粘塑性本构理论 ,并在分析中考虑到了由于电子束物理起相沉积 ( EB-PVD)涂层柱状结构在结构分析时的处理方法。分析比较不同陶瓷隔热层厚度 ( 0 .2 5 ,0 .1 2 5 mm)、不同类型涂层 (等离子、EB-PVD)的隔热效果及应力分布情况。     

考虑流固耦合效应的航空发动机风扇叶片应力数值模拟与试验测量研究

航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明：考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。     

注射成型和注射压缩成型角窗的残余应力比较

基于粘性流体力学基本方程和粘度模型,建立了注射成型和注射压缩成型的残余应力计算模型,然后对角窗的注射成型和注射压缩成型进行了计算模拟,结果表明,注射成型角窗的残余应力大,且分布范围宽;注射压缩成型角窗的残余应力相对较小,且分布范围较窄,这种特征与注射压缩成型时熔体流动阻力小、型腔压力和体积温度分布均匀有关。最后采用偏振光法对实际注射成型和注射压缩成型角窗的应力分布进行了测试,进一步验证了注射压缩成型制品的低残余应力特点。     

TC4合金叶片热模锻过程的数值模拟

文摘为了生产出质量合格的叶片,针对TC4合金叶片的成形特点,为其制订了相应的热模锻成形工艺。同时采用基于有限体积的材料成形模拟技术,对TC4合金叶片热模锻过程进行了模拟,分析了坯料成形过程中的充填情况、应变场、应力场及终锻温度场的分布规律。模拟结果表明:锻件轮廓清晰,模具型腔充填完整,未出现充不满或折叠等锻造缺陷。实际生产出来的叶片经理化检测和外观检查,质量符合要求,制定的工艺方案合理,可以满足TC4合金航空风扇转子叶片的成形质量要求。     

用刚粘塑性有限元法分析叶片精锻时的金属流动和变形组织

本文依据现行生产的某航空发动机压气机二级叶片的有关数据,采用刚粘塑性有限元法对叶身截面的成形过程进行了模拟,得到了纯铅和TC4钛合金两种材料在不同工艺条件下的金属流动和应变分布的规律,讨论了摩擦条件和毛边桥尺寸对金属流动的影响比较了锻件内不同区域的应变量所对应的组织。计算网格与实验网格比较基本吻合。     

TC11钛合金叶片组织和性能控制

 研究了利用超声波检验不合格的毛坯，经过中间β处理，生产出组织和性能符合国军标要求的合格叶片模锻件的方法。结果表明，高倍组织不均匀的毛坯，经β处理、水冷获得α组织，使叶片的缘板或榫头和叶身的锻造变形量控制大于50%,锻造温度控制为（Tβ-50）℃，第一次退火温度由（Tβ-50）℃提高到（Tβ-40）℃，保温时间取3h,最终获得的叶片模锻件的高、低倍组织可达到国军标评级图1～2级，常规力学性能指标全部满足国军标要求。     

冷却涡轮定常/非定常流场的内外耦合快速计算方法

通过源项传递的方法将计算叶片内部流动与冷却的流体网络法与计算叶片外部冷却的源项模拟法耦合起来并嵌入到叶片外部三维气动计算程序中,实现了整个冷却涡轮叶片流热环境的快速模拟.基于此方法编写了计算机程序CTUCP.首先将程序应用到涡轮静叶栅C3X的定常冷却计算中,并与CFX的计算结果进行了对比,结果表明:CTUCP计算稳定、计算速度要快一个数量级以上,并且对叶片表面前缘之外区域的温度分布总体趋势预测基本相符.然后将程序应用到C3X脉动冷却的计算中,计算了两种冷气进气脉动幅度下叶片的冷气与壁温脉动特点.      

正交各向异性材料、异型孔气冷叶片三维弹性应力分析

本文介绍了正交各向异性材料、异型孔气冷叶片三维弹性应力分析的计算方法, 并给出了一个真实的气冷涡轮叶片的计算结果及分析。为了适应气冷涡轮叶片内型孔复杂, 材料为定向凝固结晶和内外壁温度差比较大的特点, 文中采用分段线性和非线性的假设划分单元, 形成几何模型和力学模型, 采用坐标变换法建立单元的弹性矩阵, 并且采用分段线性插值法考虑温度对材料特性的影响。本文对方法和程序的正确性进行了验证, 而且将这种方法和程序应用到工程设计中。实践证明, 方法和程序可靠, 精度满足工程上的要求。      

一种基于并联关系模型的TC4合金本构方程

 以 TC4合金流动应力σ为目标函数,通过热态物理模拟试验,系统地研究了主要锻造热力参数 (变形温度、变形速度和变形程度等 )对目标函数的影响,基于数理统计学原理,科学地分析并回归出了能综合反映锻造热力参数对材料成形性能影响的本构方程,得出了 TC4合金变形工艺参数 (变形温度 T、等效应变速率ε、等效应变ε等 )对目标函数的影响规律,从而,为 TC4合金锻造过程的数值模拟和锻造热力参数的合理制订与控制提供了基础。     

涡轮叶片内部通道流动换热算法改进

在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略 各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维 温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对 涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行 温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明：采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前 算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。     

边界元法在非稳态导热问题中的应用

本文用边界元法分析与计算了航空发动机涡轮工作叶片温度场的瞬态分布。     

TC4钛合金汽轮机叶片精锻工艺研究

着重讨论了TC4钛合金 710mm叶片的精锻工艺 ,分析了各种热处理制度及锻造温度、变形程度对叶片组织和性能的影响。     

航空发动机外物损伤试验技术研究

国外对发动机外物损伤都有规范要求。美国军标MIL-E-5007D发动机通用规范要求:“发动机吸入外物后,外物对风扇、压气机工作叶片和静子叶片造成最小应力集中系数(k_t)为3的损坏时发动机应还能工作到型号规范规定的两个检查周期或小时数。”从而明确规定了考验发动机外物损伤的试验条件和合格标准。我国据79、80两年空军不完全统计,外物击伤发动机多达70起,远远超过鸟撞次数。这些击伤发动机的外物有小的螺钉、螺帽、开口销,还有布块、饭盒、皮帽、指挥旗等。因此在我国制定的“涡喷、涡扇发动机通用规范”GJB241-87中,对外物损伤也有明确的试验要求,试验条件和合格标准与美军标MIL-E-5007D一致。