某低压涡轮盘破裂转速分析与试验验证

为了研究轮盘破裂转速分析方法并提高破裂转速预测精度,基于有限元计算结果,采用平均应力法和局部塑性应变法对某低压涡轮盘破裂转速和破坏起始部位进行预测,并与试验和失效分析结果进行对比分析。结果表明:平均应力法和局部塑性应变法预测的破裂转速与试验结果吻合较好;局部塑性应变法预测轮盘破裂起始部位与失效分析结果吻合较好;对于研究的轮盘及其工作环境,平均应力法预测破裂转速偏低,局部塑性应变法预测破裂转速偏高;局部塑性应变法预测精度相对更高。     

考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测

平均应力法用于航空发动机轮盘破裂转速预测时结果一般偏大,对于带螺栓孔的轮盘破裂转速预测误差更大。考虑局部应力效应对平均应力法进行修正,引入修正因子来表征轮盘子午面平均周向应力和危险部位局部应力对轮盘破裂转速的加权影响。通过开展典型轮盘材料GH4169的光滑试样和缺口试样拉伸试验,并开展了两件模拟盘破裂转速测量试验,得到修正因子与缺口强度比的关系,然后同时采用这两种方法对某涡轮盘的破裂转速进行了预测,并开展了验证试验。试验结果表明:平均应力法预测结果偏大,误差达到了9.4%,而考虑局部应力修正后,预测值仅略低于试验值,误差仅2.67%。考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测方法简单可靠,具有较高的工程实用价值。      

航空发动机涡轮机匣轮盘包容性研究

为研究某航空发动机辅助动力装置涡轮盘在预定转速范围内破裂后涡轮机匣的包容能力,在高速旋转试验器上进行了涡轮机匣的包容性试验.试验采用轮盘周向3个对称位置预制裂纹的方式,使轮盘在预定转速范围内破裂成均匀3块,得到了轮盘碎块撞击涡轮机匣的高速摄影照片.试验结果表明轮盘碎块击穿机匣撞击包容环,包容环发生大塑性变形,包住轮盘碎块.采用LS-DYNA软件对涡轮机匣包容性进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合良好,研究结果对航空发动机轮盘包容性设计有一定的参考价值.      

轮盘破裂转速试验研究

“轮盘破裂转速准确预测方法及试验评定研究”作为发动机结构完整性的课题,从理论计算及试验评定两方面研究破裂转速问题,以指导轮盘设计,分析产品盘破裂故障。采用了大变形解析法作为预测轮盘破裂转速的理论计算方法[1],用来指导轮盘的设计,并用模型试验来考核这种计算方法的准确性。显然,模型试验要简便得多,成本低廉,因此可以比较大量和系统地试验各种模型盘,包括有温度梯度和几何形状各异的模型盘,以减少甚至免除产品盘试验工作量。      

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.      

某高压涡轮整体叶盘破裂转速计算方法及试验验证

轮盘的一个重要设计准则是防止其破裂。本文介绍了某高压涡轮整体叶盘破裂转速的计算方法和试验验证。根据试验结果对整体叶盘破裂转速的计算方法进行了验证，反推并验证了该高压涡轮整体叶盘的材料利用系数。该研究成果可供工程设计人员参考。     

涡轴发动机动力涡轮模拟轴动力特性研究

应用有限元方法完成了某新型涡轴发动机动力涡轮模拟实心轴动力特性-l临界转速、振型和不平衡响应的计算，分析了平衡卡箍对模拟轴动力特性的影响。最后进行了试验验证。计算和试验结果均表明：平衡卡箍对模拟轴临界转速和不平衡响应的影响甚微，对振型几乎无影响，是平衡细长高速柔性转子的理想平衡工装。     

计算轮盘破裂转速的大变形解析法

本文为轮盘破裂转速研究课题组的研究报告之一。文中提出的大变形解析法是计算轮盘破裂转速的一种新方法, 首先推导了基本方程, 其次叙述了计算步骤, 并对几个试验盘作了数值计算。最后将计算结果与试验结果作了对比, 误差均在 4 %以内。作者认为, 此法简便易行, 准确度符合工程需要, 适应范围较大, 可以在发动机轮盘研制工作中应用。      

航空发动机自由涡轮盘低循环疲劳寿命试验研究

针对某型航空发动机适航取证项目要求，对该发动机自由涡轮盘开展寿命研究。综合考虑自由涡轮盘标准工作循环内 温度场和转速载荷，采用线弹性有限元应力分析法对轮盘进行应力分析，据此确定轮缘和盘心为轮盘应力水平及疲劳寿命的关键 考核部位；充分考虑试验器能力及试验过程的可监控性等因素，设计并开展了能够对该自由涡轮盘关键部位进行有效考核的试验 载荷系数为1 的试验器循环疲劳试验；根据试验结果对轮盘低循环疲劳寿命进行分析。结果表明：该自由涡轮盘的预定安全循环 寿命为6500 次。     

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.     

燃气涡轮盘/叶耦合系统振动特性分析

利用UG对两级涡轮轮盘/叶片进行三维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析为基础,主要对比了有无温度场情况下,盘/叶耦合系统的振动特性差异,计算中考虑了温度场和离心载荷的影响,使计算结果更接近于实际情况,结果表明,温度不是影响涡轮盘/叶振动特性的主要因素。此外,从叶盘耦合谐振图可以看出,在工作转速下涡轮叶盘没有发生共振的危险;在起动时,只需快速的跨过一些共振区就能很好的避免耦合共振的情况发生,就振动设计而言,该型涡轮的设计是合理的。     

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。     

预研核心机压气机盘和涡轮盘强度试验

在轮盘超转试验器上对带叶片的第二、四级压气机盘和涡轮盘进行了24-105%转速下的常温应变测量及加温超转试验。试验结果表明，理论计算值与试验结果吻合，盘的强度储备足够。     

孔隙对3D打印功能梯度材料验证轮盘破裂转速影响分析

目前多材料融合3D打印技术对于短寿命、低成本小型发动机的研发具有很好的应用前景,如3D打印功能梯度材料在新型涡轮盘典型热端关键部件上的应用。为探究3D打印技术产生的孔隙缺陷对涡轮盘破裂转速的影响,基于极限应变法开展了500℃测试均匀温度场及真实温度场下功能梯度材料验证轮盘的破裂转速分析。研究中主要考虑孔隙率、大孔隙所处区域、大孔隙个数、孔隙间距及孔隙与起裂位置的距离等孔隙缺陷表征参量及相关因素对验证轮盘破裂转速的影响。研究结果表明,对于3D打印轮盘的性能分析,不能只考虑孔隙缺陷的随机分布,分布于高应变区（危险截面）的大孔隙将导致验证轮盘破裂转速的显著下降,在3D打印时应严格控制距离预测起裂位置较近的高应变区域内的缺陷。     

某发动机低压涡轮盘技术寿命研究

对某发动机低压涡轮盘进行了技术寿命研究。对盘进行了应力计算,寿命分析,确定了考核部位。介绍了试验设备,试验件及试验参数。给出了两个试验件的试验结果,并根据有关规范给出了轮盘的标准循环数和平均飞行小时数。试验研究为轮盘定寿,延寿提供了试验依据。     

轴流式轮盘破裂转速的数值计算方法

对3种轴流式轮盘在常温和高温下进行了非线性有限元计算,提出了一种应用有限元法计算轮盘破裂转速的破裂准则,得出了3种轮盘的破裂转速;并将计算结果与大变形解析法及试验值作了对比分析。      

某动力涡轮盘裂纹扩展寿命研究

为研究某动力涡轮盘GH4169合金的疲劳裂纹扩展特性,基于Paris公式建立裂纹扩展模型,完成3维裂纹扩展过程的有限元仿真分析,确定试验方案;采用电火花加工工艺在轮盘不同考核部位预制模拟裂纹,以缩短裂纹萌生时间;在高速旋转试验台上进行高温低循环疲劳裂纹扩展试验,试验过程中,在20500 r/min上限转速下进行9000次循环未发现裂纹,提速10%后进行3000次循环发现裂纹;又进行1700次循环,轮盘破裂。试验结束后,利用扫描电镜对疲劳断口进行观察,获得断口宏观、微观特征。将仿真结果与试验结果进行对比,表明仿真分析计算得到的裂纹扩展速率与试验结果有较好的符合性。     

温度场对航空发动机转子超转破裂的影响

CCAR33.27超转适航要求,分析和试验确定的超转转速,必须基于温度和温度梯度的最不利组合。因此,研究温度和温度梯度对超转破裂的影响有非常重要的意义。以某型航空发动机低压6级涡轮转子为例,采用极限应变方法开展了转子部件的超转破裂分析,对比了常温和高温（红线转速对应的温度分布）下转子关键轮盘应变分布趋势和应变增长规律、预测的超转破裂的起始位置和破裂转速等轮盘超转特性;针对超转破裂分析,提出了在高温条件下,经过常温超转破裂试验验证的方法应用的有效性条件。低压涡轮转子的分析结果也显示,红线转速对应的温度状态下,轮盘超转破裂转速比常温下显著降低,而高温下材料屈服强度的大幅降低则是破裂转速下降的主要原因。     

材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果的影响研究

为优化航空发动机轮盘结构设计,节约轮盘破裂转速预测成本,借助GH4169轮盘材料拉伸性能数据,采用基于塑性失稳准则和大变形有限元分析的轮盘破裂转速预测方法,分别利用双线性、多线性及非线性材料本构模型,分析探讨了材料性能分散性对轮盘破裂转速预测的影响.结果表明,在典型分散范围内考虑材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果有一...     

修正平均应力法预测轮盘破裂转速的试验研究

基于修正平均应力法,分析了TC17钛合金压气机轮盘型面尺寸参数对径向和周向破裂转速的影响,并对破裂模式的转变进行预判。进而设计了针对径向破裂模式的轮盘试验件,并开展了TC17钛合金压气机轮盘的破裂试验。轮盘破裂试验结果与修正平均应力法计算结果吻合较好,计算的破裂转速储备与试验结果的误差由修正前的7.24%下降为修正后的0.72%,可为工程应用提供依据。