粉末冶金涡轮盘的应用及寿命研究

介绍粉末冶金轮盘在国外的实际应用情况。以美国Ｒｅｎｅ９５粉末冶金涡轮盘为例，综述了国内外对粉末冶金盘合金材料力学特性、疲劳寿命、裂纹扩展特性研究的成果，并对涡轮盘的应力分析技术以及寿命研究发展进行了评述。提出了我国粉末冶金涡轮盘寿命研究的重点和方向。     

粉末冶金涡轮盘有限元应力分析

对某型航空发动机粉末冶金涡轮盘进行了有限元应力分析。首先根据转子系统的连接方式确定了涡轮盘应力计算边界条件,然后对该涡轮盘进行了热弹性、弹性应力和热应力分析。计算结果表明:该粉末冶金涡轮盘在最大稳定工作状态下处于弹性工作范围;超转至122%时除轮心有微小的塑性变形外,轮盘基本处于弹性范围;不均匀温度场对轮盘的应力分布有较大的影响。      

粉末冶金涡轮盘精密加工技术研究现状

先进航空发动机涡轮盘的结构集成化和粉末冶金成形方式的采用给机械加工带来了新的挑战,难加工特征多、材料切削效率低、加工表面质量不易保证、加工易变形等问题十分突出。为此,国内外研究者提出了很多加工涡轮盘的方法。在深入分析涡轮盘结构和粉末冶金材料切削性能的基础上,阐述了涡轮盘关键特征的加工难点及对应的加工方法,并对加工表面完整性控制做了详细分析。同时,结合目前机床和磨削技术进展、涡轮盘的新结构和粉末冶金材料带来的加工难点,总结了粉末冶金涡轮盘加工刀具选用原则,并指出电加工开粗+超硬磨料磨削组合加工的方式是实现粉末涡轮盘榫槽低成本精密高效加工的有效方法之一。     

基于夹杂物分布的粉末冶金盘疲劳定寿的概率方法

夹杂物是影响粉末冶金涡轮盘低周疲劳性能的关键因素之一。针对粉末冶金涡轮盘含弥散型夹杂物并由此引起低周疲劳失效这一特点,采用了一种基于夹杂物尺寸分布、夹杂物含量的概率模型来预测其低周疲劳寿命。最后以算例分析了这种模型的特点。     

概率分析方法在粉末冶金涡轮盘疲劳蠕变寿命预测中的应用

基于某粉末冶金材料的力学性能试验结果,结合专家经验、同类产品信息和现场数据,得到了该材料的蠕变寿命和疲劳寿命在不同温度下的概率密度分布曲线;采用有限元法对某粉末冶金涡轮盘在实际谱循环载荷作用下的最危险部位的应力进行了计算,利用上述试验结果和疲劳蠕变统一寿命模型,得到了不同置信度下粉末冶金涡轮盘的实际安全寿命。     

粉末冶金涡轮盘破裂转速分析与验证

结合改进前粉末冶金涡轮盘的破裂情况、断口分析和破裂转速分析方法,从提高总体强度、降低局部应力和应变、降低残余变形、控制加工工艺等方面,采取增大倒圆、增加辐板厚度等方法对粉末合金涡轮盘进行了结构和工艺上的改进。通过对比分析改进前后涡轮盘的局部应力应变、整体屈服强度储备和残余变形,及后续的涡轮盘破裂转速试验均表明,本文采取的改进措施效果明显,能显著降低破裂位置处的局部应力、提高径向屈服强度及降低盘缘残余变形。     

螺栓连接预紧力对涡轮盘静力学特性影响的仿真分析

螺栓连接是涡轮组件中盘-盘连接的基本方式,影响着涡轮盘的静力学特性。采用有限元方法,对燃气轮机涡轮盘静力学特性进行分析。通过建立动力涡轮盘有限元模型,研究了有无螺栓连接时动力涡轮盘在不同工作状态下应力的大小和应力点的位置变化,获得了螺栓预紧力对动力涡轮盘应力分布的影响规律。结果表明,螺栓连接预紧力是影响涡轮盘静力学特性的一个主要因素,盘-盘连接设计时应合理选择预紧力,以避免影响涡轮盘静强度。     

满足恒应变速率等温锻的注油方程及离散化处理

 采用传统制造工艺制作的高温合金涡轮盘往往出现晶粒度粗大。不均匀以及宏、微观偏析等问题。这不仅会引起涡轮盘力学性能的不均匀性,而且降低了合金的强度、延性和抗疲劳性。采用粉末冶金制造工艺可有效地改善盘件的冶金质量,使组织均匀,晶粒细化,提高了力学性能和使用的可靠性。我国近年来进行了FGH95（相当于Rene 95）粉末涡轮盘的研制工作。FGH95粉末盘通过热等静压和等温锻造成型,由于热等静压后的坯料原始     

模拟扭矩载荷作用的涡轮盘低循环疲劳寿命试验

提出了在传统涡轮盘低循环疲劳试验件上施加扭矩的试验方案,以某型发动机涡轮盘为对象,组装和调试了某型全尺寸涡轮盘预扭试验件,完成了低循环疲劳试验.加扭涡轮盘低循环疲劳试验结果与涡轮盘在传统不加扭矩方法下的低循环疲劳试验表现出明显差异.试验结果表明,涡轮扭矩对涡轮盘-轴连接销钉孔区域疲劳寿命有重要影响.      

涡轮盘关键部位多圆弧设计及多变量优化

为得到质量最低且满足设计准则要求的涡轮盘结构形式,研究了多圆弧过渡对涡轮盘关键部位应力的影响。提出了双圆弧和三圆弧结构设计方案并推导了几何关系,为过渡圆弧的改进与优化提供了理论上的支持。通过有限元计算,获得了多圆弧结构参数对涡轮盘应力的影响规律。基于ANSYS Workbench优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘总质量最小为优化目标,以等效应力为约束对涡轮盘关键部位进行了多变量优化。结果表明:经过优化设计,两个关键部位的最大应力分别降低662%和11.40%,涡轮盘的质量减小0.16%。本文的研究结果为涡轮盘的多圆弧设计和工程应用提供了有益参考。      

涡轮盘材料及其热加工的现状与发展

本文评述了我国航空发动机涡轮盘材料及热加工工艺的现状与发展。 在不均匀温度场中承受复杂载荷的涡轮盘,选材由耐热钢逐渐发展至高温合金,经铸造和塑性变形后,存在着许多冶金缺陷。因而,在研究改进材料化学成分的同时,要改变加工方法,以提高材料的工艺性能和使用性能。近年来使用的粉末冶金工艺,也因均匀性、稳定性和纯净度等问题,加工的涡轮盘存在着早期低周疲劳失效的缺陷,同时限制其使用。等温锻造及热等静压工艺,改善了涡轮盘的使用性能,有希望成为大推重比的发动机涡轮盘所采用的工艺方法。 进一步应从寻找新材料和新工艺方法两方面共同着手研究,在一定意义上,后者比前者的作用更大。     

基于安全寿命法的高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验

基于英军标Defence Standard 00971对盘类零件的安全性要求,采用安全寿命法对某型发动机高压涡轮盘的低循环疲劳寿命试验进行了研究.通过有限元法对发动机工作条件下的高压涡轮盘进行了应力分析,考虑了温度场对应力分布的影响,按照Defence Standard 00971的要求确定了高压涡轮盘的关键部位及其标准循环,制定了高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验方案,给出了基于试验结果确定高压涡轮盘安全寿命的方法.分析表明:中心孔和螺栓孔的应力系数分别为1.0和1.017,均在合理范围内;提高高压涡轮盘转速同时截短涡轮叶片的试验方法能有效模拟热应力对寿命的影响,对高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验具有重要指导意义.      

双辐板涡轮盘结构强度分析

对双辐板涡轮盘的结构特点和工艺难点进行了介绍,通过与传统涡轮盘进行对比阐述了双辐板结构的先进性,并应用有限元分析软件对传统涡轮盘和双辐板涡轮盘进行了强度分析。结果表明:双辐板涡轮盘在强度和质量方面具有优势,对双辐板涡轮盘未来的研制提出了设想。     

涡轮盘持久及低周疲劳寿命可靠性评估

为评估涡轮盘持久及低周疲劳寿命可靠性,考虑涡轮盘材料及载荷的分散性,采用响应面法与蒙特卡洛法相结合的方法,建立涡轮盘持久寿命可靠性分析模型。对给定中间以上状态工作时间400 h的涡轮盘进行持久寿命可靠度计算,并考察应力松弛效应对涡轮盘持久寿命的影响。在持久寿命可靠性分析的基础上,根据Miner线性累积损伤理论,对考虑蠕变损伤的涡轮盘低周疲劳寿命进行可靠性评估。结果表明,该涡轮盘满足400 h持久寿命、寿命安全系数1.5,及1 500周低周疲劳寿命、寿命安全系数2.0的使用要求。     

某飞行科目中涡轮盘的损伤计算矢量喷管运动仿真

通过对某型航空发动机高压涡轮盘进行弹塑性有限元分析,计算涡轮盘在主次循环作用下的低循环疲劳寿命和寿命的概率分布,从而对涡轮盘在某飞行科目中的寿命损伤进行分析。对涡轮盘进行热分析;并对载荷谱进行分析处理,得出对涡轮盘损伤影响较大的主次循环和相应载荷谱;再对涡轮盘进行弹塑性分析,得到危险点处的应力、应变,计算涡轮盘确定性寿命和寿命的概率分布;利用线性损伤累积理论,得到涡轮盘在单次飞行和千小时飞行下的总损伤     

某型航空发动机低压涡轮盘的强度计算

根据某型航空发动机低压涡轮盘的实际结构进行有限元建模,并根据涡轮盘的载荷特点,采用循环对称基本理论对其1/64扇区的载荷进行了计算.对涡轮盘的离心负荷的热弹性应力进行了综合考察与分析,计算得出最大应力集中发生在涡轮盘中心孔处,对进行同类型的涡轮盘强度分析与寿命计算具有借鉴作用.     

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.     

某辅助动力装置涡轮盘腔泄漏影响数值研究

本文采用数值模拟的方法研究了盘腔泄漏流对某型辅助动力装置涡轮部件性能及流场的影响,并分析了其作用机理。结果表明,盘腔泄漏流对涡轮性能有较大影响,泄漏流不影响涡轮进口流量,但会影响功率分配并明显降低涡轮效率。优化搭接结构可减小盘腔泄漏流流量,提高涡轮效率。盘腔泄漏流对二级导向叶片通道流场影响较小,对二级工作叶片的影响主要集中在30%叶高以下区域。盘腔泄漏流促进了二级工作叶片叶根部位漩涡的发展,增大了叶片通道的二次流损失。     

涡轮盘低循环疲劳的概率设计

基于涡轮盘结构的低循环疲劳设计流程,将概率设计理念融入设计过程中,提出了涡轮盘低循环疲劳的概率设计流程。首先进行涡轮盘结构的优化分析,其中以确定性设计准则作为约束条件;以优化结构方案为基础,考虑参数的随机性,对涡轮盘低循环疲劳进行可靠性分析;以低循环疲劳寿命的可靠度为概率设计准则,对涡轮盘进行反复的设计和计算验证,通过修改结构尺寸完成涡轮盘低循环疲劳的概率设计。同时,根据灵敏度分析结果,讨论了设计变量的分散性对涡轮盘寿命的影响,为进一步提高结构的可靠性提供了新的研究思路。结果表明,按照概率设计观点确定的涡轮盘结构兼顾性能和可靠性,在满足可靠度的前提下降低涡轮盘的重量。同时该概率设计流程简单方便,易于工程的推广应用。     

对转涡轮盘腔内各参数变化对转盘壁面摩擦力矩的影响

对转涡轮盘腔内壁面摩擦力矩的大小直接影响盘腔内气体流动结构和换热效率,进而影响对转涡轮发动机的性能。应用RNG k-ε湍流模型对对转涡轮盘腔内气体流动进行了数值模拟,研究了对转涡轮盘腔间距、中心进气流量、转盘转速的变化对盘腔内壁面摩擦力矩的影响。数值模拟结果表明,盘腔间距在计算范围内的变化对转盘壁面摩擦力矩的影响不明显;转盘壁面摩擦力矩随中心进气流量和转盘转速的增大而增大。