整体压气机转子结构优化设计

以航空发动机整体压气机转子优化设计分析为工程背景,建立整体压气机转子的优化模型,选择重量最轻为目标函数,进行轴对称热弹塑性有限元分析,采用设计尺寸、局部应力、局部低循环疲劳寿命、轮盘破裂转速等约束函数,同时还在形状描述方式、自动分网、灵敏度分析、后处理接口等方面作了大量研究工作,在此基础上研制了整体压气机转子优化设计程序,并应用到实际压气机转子和涡轮盘优化设计,在满足强度和寿命要求的同时。      

某型发动机高压12级转子叶尖间隙控制研究

以某型发动机为对象,采用CFD数值模拟,研究了高压压气机12级孤立转子在不同叶尖间隙值下的单通道流动细节,分析和比较了不同叶尖间隙值下该级转子的压比和效率,获得了最佳性能前提的叶尖间隙值,并讨论了最佳间隙下的流场结构.结合ANSYS有限元软件评估了转子叶片和轮盘在热-结构耦合作用下的径向应变.研究结果对改进转子叶尖间隙装配和控制具有较好的参考价值.      

面向全疆域设计需求的某涡轴发动机核心机转子减重优化

为满足某涡轴发动机平原、高原、高寒以及海洋环境下的全疆域设计需求,综合采用尺寸优化和拓扑优化对核心机转子盘体形状进行了减重优化。首先提出了一种基于本征正交分解的径向基神经网络代理模型构造方法,通过在关键区域补充采样,在样本总数相当的前提下,提高了寻优效率,缩短了优化所需的时间。利用该方法对核心机转子盘体尺寸进行优化,优化后结构重量减轻,应力分布和强度储备更趋合理。然后采用变密度法对涡轮盘螺栓孔附近区域进行拓扑优化,得到一种带凸耳形状的螺栓孔创新构型,解决了由于优化后盘体减薄而导致的螺栓孔应力上升过多的问题。结果表明：在转子强度、寿命满足规范要求的前提下,优化后的核心机转子减重15%,满足了全疆域设计需求对转子重量的要求。     

罗罗公司研制出线性摩擦焊宽弦风扇整体叶盘

与通常发动机的压气机轮盘和叶片的机械连接方式不同,新型整体叶盘结构的轮盘和叶片是一个整体,它可以大大提高发动机的性能,至少可使发动机重量降低３０％。此外,整体叶盘还可取消轮盘和叶片上的一些附件,减轻轴承和转动件支撑结构的重量。整体叶盘并不是全新结构,它在直升机的发动机上应用已有十几年时间。但在大型军用发动机上应用才刚刚开始。直到最近才有可能用五坐标数控铣床或电解加工机床由实体毛坯加工出大尺寸整体叶盘。这种加工是很昂贵的,并且加工量大,加工周期长。由Ｒ＆Ｒ和ＭＴＵ公司联合开发的线性摩擦焊接技术是目…     

概念设计时影响涡轮转子叶片强度的关键因素

基于总体结构参数对后期详细设计的重要性这一事实,探讨了航空发动机叶片概念设计中可能出现的强度问题,研究了涡轮叶片的 AN2值、轮缘切线速度、叶片稠度和材料性能等重要设计参数对强度和寿命的影响.结果表明:目前先进民用大涵道比涡扇发动机的 AN2值在25m2·(r/min)2以内,轮缘切线速度应当使得涡轮盘的形状因子控制在2以内,叶片稠度则应满足叶片能被榫连结构包容的要求,材料蠕变和低循环疲劳性能的限制要求高压涡轮叶片根部平均应力控制在250MPa左右.这些结果将为先进航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的设计提供重要的参考依据.      

航空发动机初步设计阶段涡轮流道多学科优化设计分析方法

针对航空发动机涡轮初步设计阶段,在完成气动流道初步设计的前提下,综合考虑气动流道与叶片轮盘关键结构特征的制约和平衡关系,建立了关于高压涡轮气动流道和转子强度分析的多学科优化模型,进行了以气动流道效率和转子结构质量为目标函数的涡轮流道多学科多目标优化,优化后涡轮转子最大径向应力和最大周向应力分别下降4.62%和10.63%,同时危险截面处的平均径向应力和周向应力也分别下降了42.99%和3%,使涡轮部件气动和结构强度的多学科综合性能提高3.41%.     

航空发动机涡轮转子叶片-盘耦合共振特性分析

首先使用UG软件对某型航空发动机涡轮转子单个叶片和叶片-轮盘进行三维实体建模;然后应用有限元ANSYS软件计算不同边界条件下单个叶片和叶片-轮盘在典型转速下的固有频率及振动特性;最后根据计算结果绘制Campbell图,并进行频率裕度和共振特性分析。     

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。     

某型航空发动机涡轮叶片和轮盘榫齿裂纹故障力学分析

针对某型航空发动机发生的涡轮转子叶片和轮盘榫齿裂纹故障,应用大型结构分析程序Ansys对该叶片和轮盘进行了接触应力、振动特性及低循环疲劳寿命的计算分析,并针对各种可能的公差组合对榫头和榫齿喉部应力的影响进行了分析;根据计算结果找出并分析了故障发生的原因。     

考虑缺口和体积效应的轮盘等效体积概率寿命分析方法

航空发动机轮盘的疲劳破坏多伴有缺口效应和体积效应。为了研究缺口效应和体积效应对疲劳寿命的影响,采用修正Walker模型考虑平均应力的影响,建立能统一描述各应力水平下疲劳寿命分布的三参数Weibull模型,在"等概率寿命、等损伤"的基本思想下,将轮盘大应力区的危险体积转换为具有相同损伤的等效体积,进而利用Weibull最弱环理论可获得具有缺口效应和体积效应的轮盘危险部位在任意失效概率下的疲劳寿命。对两种不同厚度(4mm和6mm)的涡轮盘螺栓孔模拟试件进行概率寿命预估,并与试验结果及应力体方法预估结果进行对比。结果显示,本方法对两种模拟试件的概率寿命预估结果最大误差在30%左右,在中位、高可靠度时的最大预估误差为-23.2%,预估精度高于应力体方法。     

基于归一化参数模型的涡轮盘和涡轮叶片蠕变分析

为完整描述构件3个阶段的蠕变变形计算,结合所发展的各向同性材料的归一化参数蠕变模型,进一步拓展到正交各向异性材料的归一化参数蠕变模型并进行适用性验证。应用所编制的子程序对高温材料涡轮盘和定向结晶材料涡轮叶片结构,进行了蠕变变形及应力松弛效应计算分析。结果表明：经过一定时间的蠕变变形,涡轮盘和涡轮叶片的高应力区会出现应力松弛。总体上轮盘的应力分布更加均匀,静力分析得到的轮盘中心孔、螺栓孔边和轮缘辐板过渡段处高应力区,由于存在蠕变变形,均出现较明显的应力松弛,但是盘中心孔处的应力松弛幅度较小,可能长时间处于高应力状态,应作为结构设计的危险部位重点考查;涡轮叶片也具有同样的应力松弛蠕变效应,特别是随着蠕变变形的增大,叶尖径向变形(位移)逐渐增大,在结构设计中,应考虑叶片叶尖与机匣长期工作径向碰摩而带来的不利影响。     

热和离心力作用下高压涡轮转子的径向变形

热和离心力变化是引起燃气轮机高压涡轮叶顶间隙变化的重要因素,也是转子设计和强度计算中考虑的基本点之一.为了便于进一步研究叶顶间隙变化规律及对轮盘和叶片进行强度计算,本文建立了在热和离心力作用下燃气轮机高压涡轮转子的径向变形模型.定性分析和定量计算了不同工况下热和离心力分别对叶片、轮盘径向变形的影响,以及两者共同作用下的...     

自由涡轮叶片/轮盘耦合振动特性分析

自由涡轮是航空发动机的关键部件,其工作环境非常恶劣,承受着离心载荷、热载荷、气动载荷及振动载荷等的复合作用。利用UG软件对某型自由涡轮2级涡轮轮盘/叶片进行3维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析中的模型为基础,考虑温度场和离心载荷的影响,计算出涡轮叶片/轮盘不同转速下的动频。从Campbell图可见,涡轮叶片/轮盘在工作转速下没有发生共振的危险,该型涡轮设计合理。     

高负荷风扇叶片重心线调节对叶片强度和气动性能的影响分析

探讨了通过调整叶片重心线沿周向的积叠,控制叶片强度和振动性能的方法;以某高负荷风扇叶片为例,验证了该方法在高负荷叶片设计中的有效性;并对比分析了重心线调节对转子气动性能的影响,探讨了其内在流动机制。建议将叶片设计流程中叶片造型与结构分析作为一项工作完成。重心线调节法可应用于高负荷叶片设计。     

整体叶盘结构强度减振一体化设计方法

基于软件ANSYS,建立了整体叶盘参数化模型.结合轮盘强度设计应力标准,借助ANSYS优化模块,获得了满足强度要求的最轻整体叶盘模型.分析了整体叶盘的振动特性,研究了轮盘和叶型参数调整对整体叶盘固有频率的影响.在此基础上,研究了通过改变缘板厚度、罩量及叶型厚度等参数使整体叶盘避开低阶激振的结构设计方法.研究结果表明:对于鼓筒约束的整体叶盘,轮盘参数调整可提高整体叶盘低阶耦合振动频率与4E激振频率在最大转速的裕度为2.2%,而叶型参数调整对此裕度的影响可达8%.最终获得的整体叶盘模型在1阶振动避开5E以下激振,并与4E激振频率在最大转速的裕度达10.8%的基础上达到质量最轻,因避频质量增加4.77%,说明整体叶盘结构强度减振一体化设计方法是可行的.      

基于热态叶型的小轮毂比弯掠叶片结构保形设计与优化

发展了一种保持且基于气动设计给定的热态叶型的冷态叶型迭代解算方法,并将其融入叶片罩量调节的优化设计,其中在热态叶型的基础上调节罩量,针对冷态叶型计算变形与应力等,变形后的叶片逼近热态叶型,尽可能减小了对热态叶型气动特性的影响.实现了冷态叶型迭代求解与罩量调节中结构有限元网格的自动更新,并基于iSIGHT优化平台,建立了叶片罩量调节多目标优化设计的自动化分析流程,并以一小轮毂比弯掠风扇叶片罩量调节为例,考查了罩量调节中考虑轮盘与否对优化设计结果的影响.计算分析实例表明:所发展的方法可在保持热态叶型的前提下使叶片最大应力和最大变形分别下降了10.6%和46%.      

Analysis of Factors Affecting the Service Life of a Centripetal Turbine Rotor

The reasons for shortening the service life of blades and the rotor disk of a small-sized centripetal turbine are analyzed both at the maximum operating modes of the turbine and the starting and stopping stages. The ways of partitioning the rotor blade into elements and relating them to the disk elements in creating the mathematical model of strength analysis are considered.     

高旋转雷诺数下预旋进气转-静盘腔流动换热特性

运用RNG k-ε湍流模型对高旋转雷诺数和预旋进口速度下,静盘外缘预旋进气、转盘外缘轴向出流模型的流动和换热过程进行了三维数值模拟,主要研究了冷气流量Cw、旋转雷诺数R ee等参数对转盘对流换热系数和出流口温度分布的影响,并与垂直进气方式进行了对比。研究表明:预旋进气方式与垂直进气相比可降低涡轮叶片冷气入口总温;冷气流量增大以及旋转雷诺数增大均使得转盘平均换热增强;涡轮叶片入口温度随冷气流量增大而降低,随着旋转雷诺数的增大先升高后降低。      

双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

提出双辐板涡轮盘/榫三维结构优化设计方法,包括:以盘/榫总质量作为目标函数,分部管理的设计参数,盘/榫结构分部快速优化/整体精细优化策略;基于ANSYS软件,建立了双辐板涡轮盘/榫结构优化设计平台.针对某高压涡轮转子,设计了两种双辐板涡轮盘/榫模型,分析了盘缘喉部半径、盘缘厚度参数对盘/榫危险区应力的影响.优化结果表明:双辐板涡轮盘比单辐板涡轮盘应力分布更加均匀;在满足结构强度约束条件下,两种双辐板涡轮盘分别比单辐板涡轮盘减质19.90%和17.35%;对双辐板涡轮盘/榫模型进行优化,采用该优化设计方法的计算时间仅为采用常规三维优化方法的1/3,表明其优化设计方法的合理性及高效性.      

基于精确参数化定义的复合材料桨叶剖面 扭转刚度计算

在系统地对桨叶结构设计流程、结构分析计算方法进行研究的基础上,通过对桨叶组件参数化定义及桨叶铺层三维几何建模方法的扩展,自动获得各桨叶剖面相关组件的几何和材料信息,并基于闭口薄壁梁理论,给出了复合材料桨叶剖面扭转刚度的高效计算方法.该方法一方面充分考虑了复合材料蒙皮铺层的复杂结构以及梁、肋等组件的细节几何模型,避免了三维几何模型简化误差;另一方面,提出了铺层块、等效厚度以及长厚比概念,并采用解析表达,将模型几何解构完全集成于桨叶设计过程自动完成,十分便于工程应用.实例验证表明:提出的方法能够快速、可靠地完成桨叶剖面扭转刚度计算,显著提高设计分析效率.