DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究

针对涡轮叶片考核部位的寿命问题,介绍了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验方法。通过设计感应线圈进行高频感应加热,实现某一工作状态下涡轮叶片考核截面温度场模拟,同时使用U型铁氧体精细调节温差;通过设计的二位移调节机构控制拉伸载荷,实现涡轮叶片考核截面由离心载荷和气动载荷引起的应力场模拟。在保证内冷空气流量的条件下,进行了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验,实现了涡轮叶片寿命预测方法的试验验证,同时为工程设计提供了试验依据。     

高效冷却单晶涡轮叶片制造技术的发展

高效冷却单晶叶片制造技术是近几年国外在研究叶片制造技术方面的重要成就。采用该技术制造单晶叶片,可使燃气涡轮入口温度提高２２２～３３３℃,达到２１００～２３００Ｋ。本文介绍了高效冷却单晶叶片及其制造技术和应用前景。     

长23．5cm的单晶动叶片可用于1500℃的燃气涡轮

长２３．５ｃｍ的单晶动叶片可用于１５００℃的燃气涡轮日本日立公司和Ｔｏｈｏｋｕ公司联合制出了世界上最大的试验型单晶动叶片，该叶片长２３．５ｃｍ。制造时在单片上铸出复杂的冷却孔并在熔融金属冷却和凝固时精确控制温度。目前，燃气涡轮的一级动叶片用镍基合金制...     

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。     

定向凝固高温合金涡轮冷却叶片的热应力分析

1 引言 现代航空发动机的燃气温度愈来愈高,涡轮叶片采用复杂的冷却结构和耐高温的各向异性材料。在发动机工作状态循环变化中,将引起热疲劳损伤。所以,必须对涡轮叶片中周期性变化的热应力进行分析。由于其结构形状复杂,采用有限元素法进行分析是一种有效的方法。如对整个叶片进行瞬态温度场和各个瞬间的应力场进行分析,将需要很大的内     

用典型状态法进行蠕变/持久载荷谱压缩

提出了采用典型状态法进行发动机蠕变/持久载荷谱的压缩,并将某型涡轴发动机数量众多的载荷状态压缩成4个典型状态载荷谱,为后续编制模拟任务持久试车谱和加速任务试车谱以及发动机零部件的强度与寿命考核奠定了技术基础。研究结果表明,在现有的技术条件下,采用典型状态法以燃气涡轮叶片为对象的蠕变/持久载荷谱压缩可以满足工程应用,方法是合理可行的。      

含裂纹燃气涡轮叶片结构非概率可靠性分析

涡轮叶片是燃气轮机装置中失效最频繁的工作部件,其主要的失效模式之一为裂纹扩展而引起的疲劳断裂失效。以含裂纹燃气涡轮叶片为研究对象,根据其典型启动运行工况制定载荷谱,通过瞬态热弹塑性有限元分析确定叶片失效的危险部位,并据此建立含裂纹叶片的实体模型;根据瞬态热弹塑性分析结果和J积分强度判据,对含裂纹叶片进行非概率可靠性分析。通过工程实例,验证了结构非概率可靠性综合模型的可行性和可操作性,为非完善结构的可靠性分析评定提供了新的方法体系。     

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。      

1 种基于Kriging 近似模型的叶片罩量优化设计方法

在航空发动机叶片设计过程中,需要进行叶片罩量优化来减小多种载荷引起的弯曲应力,改善其应力状况。为了提高叶片罩量优化设计效率,根据Kri gi ng近似模型和试验采样技术,提出了1种叶片罩量优化设计方法。利用序列采样方法逐步改善近似模型预测精度,然后在近似模型上进行全局寻优。结果表明:该方法简单易用,通过构造近似模型代替真实的物理模型,降低了计算成本,提高了优化效率。优化后的叶片最大等效应力减小了12.43%,有效地减小叶片的峰值应力。     

稳态温度场作用下涡轮叶片的可靠性分析

采用蒙特卡罗仿真方法对某型发动机第一级涡轮转子叶片进行可靠性分析,考虑了稳定工作条件下稳态温度场对涡轮叶片的影响,忽略振动载荷及气动载荷。根据场序热一结构耦合方法对涡轮叶片进行了确定性热应力分析,然后通过大量蒙特卡罗仿真试验对涡轮叶片应力的概率分布进行了分析求解,求解过程中采用了模型数据文件与温度载荷数据文件循环调用的方法,对影响涡轮叶片应力状况的随机因素进行了灵敏度分析。以不考虑温度场情况下的分析作为对比参照,根据对比发现在温度场作用下涡轮叶片材料弹性模量的分散性对叶片可靠性较常温状况下有较大的影响,且常温状况下叶片可靠度的计算结果偏高。     

航空发动机叶片多轴疲劳试验研究进展

近几年航空发动机叶片失效分析的统计表明,叶片失效多由离心力叠加异常振动的多轴疲劳载荷引起.总结现有单一载荷加载、双轴载荷加载等多轴疲劳试验方法的优缺点,并分析其在评价航空发动机叶片多轴疲劳时存在的问题.重点介绍目前国际上最新研制的可有效模拟发动机叶片受力状态的拉伸-弯曲振动多轴疲劳试验方法.建议尽快建立适合我国航空发动机叶片的多轴疲劳试验系统.     

镍基单晶结构的蠕变损伤寿命研究

基于镍基单晶合金材质细观演化规律，提出了同时考虑筏化-解筏及夹杂空洞损伤机理的双参数蠕变损伤本构模型。该本构模型已编入ABAQUS的umat。单向应力状态试验表明它可以模拟镍基单晶结构材料的蠕变规律，特别是晶体取向相关性；利用双剪切和模拟单晶叶片蠕变试验对模型进行了考核，结果相当满意。进一步对单晶叶片的蠕变损伤寿命进行分析，叶片的三维取向优化，可以很大程度地提高叶片的蠕变寿命。     

镍基单晶高温合金DD6热机械疲劳试验

针对单晶气冷涡轮叶片的服役载荷特征,以镍基单晶高温合金DD6为对象,设计开展了薄壁圆管试样热机械疲劳(TMF)试验。结果表明:DD6变形响应呈现出明显的TMF棘轮效应,且与相位角、机械载荷水平等密切相关;在相同载荷条件下,同相(IP)TMF寿命总是明显短于反相(OP)。引入高温保载时间或增大机械载荷均会引起棘轮应变的明显增加,缩短结构寿命。结合断口和纵向切片分析,识别了不同载荷条件下影响单晶寿命的关键损伤因素,其中IP TMF主导损伤机理为蠕变和疲劳,而OP TMF主导损伤机理为氧化和疲劳。      

涡轮盘材料低周叠加高周复合疲劳断裂特性研究

航空发动机的载荷谱,包含起飞和着陆间的各种巡航状态,可简化为梯形波表示。在涡轮盘和压气机盘的关键区域,如连接叶片的盘缘,离心力和热应力的变化,以起动——停车作为一个工作循环,称为主循环,是低周疲劳的主要损伤源。在载荷保持期间(巡航状态),局部高应力区可能产生蠕变或应力松弛,实际上还会有低幅值高周振动(称为次循环)应力叠加在主循环上,简化载荷谱如图1所示。这种状态除航空发动机外,在多数动力机械如原子能装置、内燃机等都可能发生。在评定承受低周叠加高周复合作用的构件及材料疲劳断裂性能时,应该考虑高周损伤的重要作用。本文介绍近年来所作初步研究的部分结果。      

具有转捩流动特性的高压燃气气冷涡轮叶栅的气热耦合计算

采用CFX商用软件对NASA-MarkⅡ高压燃气涡轮5411工况进行气热耦合计算,着重分析各种湍流模型对转捩流动区域的预测能力,与实验结果比较,k-ω-shear-stress-transport(SST)-Gamma-Theta湍流模型计算结果与实验结果吻合较好.另外,自编耦合计算程序对相同工况进行气热耦合计算,湍流模型采用Baldwin-Lomax(B-L)代数模型,结果说明,除转捩区域外,B-L模型对叶片表面其余位置的计算结果较准确.应用ANSYS商用软件进行热应力分析,结果表明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显著影响.      

镍基单晶DD3涡轮叶片蠕变寿命晶向相关性分析

基于三维正交各向异性弹性有限元分析和晶体滑移理论，分析了单品涡轮叶片在其工作状态下的应力状态和蠕变寿命与叶型积叠线方向的晶体取向偏角、随机取向的晶向角之间的关系。分析结果表明：叶型积叠线方向的晶体取向偏角和随机取向的品向角，对单晶叶片的应力状态和蠕变寿命具有较大的影响，但二者对叶片蠕变寿命的影响规律是不同的。充分利用品体取向偏角和品向角，在不增加叶片重量的前提下，有利于进一步发掘材料潜力。因此对单晶叶片的晶向进行优化设计，具有重要的工程应用价值。     

晶体取向的偏差和随机性对镍基单晶叶片强度与蠕变寿命的影响

本文提出双参数蠕变损伤模型用以模拟镍基单晶合金叶片的强度和寿命。该模型得到单轴应力状态和模拟叶片、双剪切试样复杂应力状态的考核。叶片分析表明:单晶叶片轴向的偏角增大,强度的分散性变大。两个不受控的晶体取向变化时,滑移系的分切应力最大有15%的变化;轴向的偏角的增大,寿命的分散性变大,15°的偏角,寿命偏差6倍。两个不受控的晶体取向变化时,寿命有50%的变化。结果表明:对叶片进行3维取向优化,可以提高叶片的蠕变寿命。      

发动机高压涡轮叶片的氧化损伤分析

高压涡轮叶片是涡扇发动机中工作条件最恶劣的零部件,不仅承受转子叶片自身的离心力、振动载荷,还承受极端的热应力,极易发生损伤.在叶片的各类损伤中,氧化损伤是最常见的一种,也是造成其他损伤的一个重要因素.本文通过对涡轮叶片构造特点的分析及热损伤机理的探讨,重点介绍了叶片的氧化损伤及其表现形式,为维修人员对损伤的判定提供参考...     

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

晶体取向对航空发动机单晶叶片结构强度和蠕变寿命的影响

现代航空发动机镍基单晶叶片在生产时只控制叶片轴向为结晶方向,其它两个方向则处于随机状态。本文基于晶体滑移理论,计算分析了这种方向随机性对结构强度和蠕变寿命的影响。结果表明,保持轴向为结晶方向,其它两个方向为随机,在额定载荷作用下,某叶片强度储备系数相差20％,蠕变寿命则可相差5.5倍,使得有必要在铸造时对非结晶方向的晶体取向进行控制。本文进一步计算了叶片轴向与结晶方向偏角对性能的影响,偏角5°,蠕变失效寿命最大降低23％;两偏角10°,蠕变失效寿命最大降低一半,即严格控制轴向偏角对叶片也是至关重要的。