涡轮发动机用陶瓷基复合材料涡轮转子研究进展（两机专刊）

高性能飞行器对涡轮发动机性能需求不断提升,对涡轮转子的耐温性和轻质化提出了苛刻要求。而目前高温合金涡轮转子性能逼近材料极限,难以满足未来涡轮发动机大幅减重提温的需求,先进陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮转子成为必然趋势。本文介绍了涡轮转子用CMCs复合材料的设计、制备、加工、检测,以及各国在CMCs涡轮转子研制方面的进展,研究表明CMCs涡轮转子在液体火箭发动机、先进航空发动机领域具有巨大优势和应用潜力。当前连续纤维增强CMCs复合材料涡轮转子的耐温性能、抗冲击性能已初步得到验证,而材料强度和韧性不足是制约CMCs在航空发动机涡轮转子上应用的主要因素,发展高强度、高韧性涡轮转子用CMCs材料成为当前研究热点和未来必然趋势。     

典型涡扇发动机陶瓷基复合材料涡轮叶片概念设计

为了推动先进航空发动机陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮叶片设计技术进步,以典型涡扇发动机基准性能参数为原始数据,按照涡轮叶片正向设计流程,从气动设计,到结构设计,再到变形及强度分析,梳理出以材料强度为约束,发动机推力和耗油率为输入值,涡轮叶片叶身模型为结果的概念设计方法。设计了一种陶瓷基复合材料低压涡轮转子叶片,该叶片实心无冷却,设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果满足设计要求。安全储备系数可达1.8,涡轮盘外载预估减少50%,验证了陶瓷基复合材料用于先进航空发动机热端部件的可行性。涡轮效率提高0.98%～1.17%表明陶瓷基复合材料具有提升先进航空发动机热端部件性能的潜力。     

内燃波转子技术对燃气涡轮发动机性能影响

为研究内燃波转子技术提高燃气涡轮发动机性能变化规律,建立内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环分析模型,开展内燃波转子通道出口气流马赫数、压气机压比等参数变化对燃气涡轮发动机性能的影响研究,探讨了内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环状态参数变化规律.研究结果表明:当压气机压比等于3.6时,发动机比推力和热循环总效率最大提高23.709%,耗油率最大减少19.165%;当通道出口气流马赫数等于0.6时,发动机比推力最大增幅达23.736%,此时压气机压比为4.4、发动机热循环总效率32.216%和耗油率减少24.366%,熵增减少7.864%,验证了内燃波转子技术能够提高燃气涡轮发动机总体性能.研究结果为深入开展内燃波转子燃气涡轮发动机基础理论和关键技术研究奠定基础.      

对涡轮盘材料的需求及展望

在航空燃气涡轮发动机中，涡轮部件的工作条件最为苛刻，特别是涡轮转子，要在高温、高压、高转速和高气流速度下工作。涡轮转子的工作能力直接影响发动机的基本性能和可能性，分析了发动机设计对涡轮盘材料的需求，展望了涡轮盘材料的发展趋势。     

基于循环参数分析的涡轮基组合动力系统用高速涡轮发动机构型方案

在涡轮基组合动力系统的使用场景中,高速涡轮发动机为了实现起飞、跨声速、模态转换等状态下的性能指标,需要扩展使用速域范围,兼顾多状态推力性能,对于发动机构型和循环参数选取提出了特殊的要求。开展基于循环参数分析的高速涡轮发动机构型方案设计,通过分析高速涡轮发动机在不同速域下的使用需求,明确发动机的技术特征,并从性能、结构、技术发展趋势等多角度对高速涡轮发动机构型进行分析,针对双转子涡扇构型的高速涡轮发动机开展循环参数分析,明确压比、涵道比和涡轮前温度对发动机不同工况性能的影响。结果表明：变循环是高速涡轮发动机的理想构型方案。现阶段应基于双转子涡扇构型逐步集成变循环特征部件,并通过合理的循环参数匹配,实现高低速性能的兼顾。     

涡喷发动机涡轮转子模糊可靠性分析与计算

航空发动机涡轮转子处于高温高压的工作环境,这类零部件单纯从设计可靠性角度来考虑具有较大的局限性,比如无法量化评估实际使用环境下的涡轮转子的可靠性情况.建立了考虑工作环境因素的涡轮转子磨损模型,结合模糊数学模糊集与隶属函数的理论提出了评估随时间变化的对涡轮转子进行模糊可靠性分析与计算所依据的模糊可靠性数学模型.通过量化分析涡轮转子磨损量的影响因素确定了相应的隶属函数,利用该模糊可靠性模型实现计算基于时间的涡轮转子磨损的模糊可靠度.     

某型发动机涡轮转子温度和应力测试研究

为确保某型发动机的安全使用,通过对该发动机涡轮转子的温度和动应力进行实测,据此对涡轮转子叶片和盘进行强度和寿命计算。对涡轮转子的叶片和盘进行强度初步计算,确定应力最大点,在发动机实际工作状态下,得到测试部位的实际温度和动应力;利用测试结果,计算确定涡轮转子叶片和盘的疲劳寿命。该研究首次得到了涡轮转子叶片和盘的温度和动应力数据。计算结果表明:涡轮转子叶片的寿命不低于2000 h,涡轮盘的寿命不低于5000 h。     

PW公司验证先进涡轮转子

PW公司为综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划第3阶段的先进涡轮发动机燃气发生器（ATEGG）的初始验证，成功地完成了双轮辐盘（TWD）涡轮转子的旋转地坑试验。     

带悬臂涡轮盘发动机转子的振动特性及平衡技术研究

在旋转试验器上研究了带悬臂涡轮盘火箭发动机氧涡轮泵转子的振动特性,并在此基础上完成了氧涡轮泵转子的高速动平衡试验.结果表明：氧涡轮泵转子的振动与悬臂涡轮盘的不平衡量密切相关,单面高速动平衡技术对减小悬臂柔性转子的振动效果显著.     

液体火箭发动机涡轮泵非线性转子系统稳定性影响因素研究

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了动力稳定性研究。采用有限元法建立了涡轮泵转子系统的动力学模型,研究了安装偏心对转子密封系统稳定性的影响,给出了失稳转速随安装偏心的变化规律。研究了存在安装偏心时当量密封间隙、轴承支承总刚度及轴向位置对液体火箭发动机涡轮泵转子系统稳定性的影响,分析了失稳转速随当量密封间隙、轴承支承总刚度及轴向位置的变化规律。最后开展了冷吹试验和热试验研究,验证了本文的理论研究结果。本文的研究为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、故障诊断与安装维护提供理论依据。      

三坐标测量涡轮导向叶片排气面积的方法研究

涡轮导向叶片排气面积是叶片设计和加工中的重要参数,能够显著影响整机性能。为了精确测量涡轮导向叶片排气面积,对三坐标测量机测量叶片排气面积的方法进行研究。在三坐标上测量涡轮叶片排气面积,分别采用触测法和扫描型线法两种测量方法,并对测量结果进行对比分析。通过对涡轮导向叶片排气面积的实际测量,总结了三坐标测量机测量涡轮导向叶片排气面积的测量方法、测量步骤、数据处理方式以及测量不确定度分析。     

涡轮流量计的标定

讨论了涡轮流量计的几种标定系统，包括稳态标定，动态标定，在线标定和实时标定，其中在线标定和实时标定是提高涡轮流量计测量精度的重要措施，计算机辅助测试系统的建立已不难实现这２种标定。     

涡轮表面腐蚀原因分析

镍基高温合金涡轮在运行一段时间后表面发生了严重腐蚀、叶片尺寸减小。通过对涡轮表面观察、测试与分析,确定了涡轮表面腐蚀为热腐蚀,腐蚀机理为钠盐热腐蚀,腐蚀介质为含硫钠盐,随着热腐蚀的加重,腐蚀产物不断剥落,导致叶片尺寸逐渐减小。涡轮表面发生热腐蚀原因是由于发动机燃油燃烧不充分,导致表面接触甚至沉积含硫钠盐,在发动机高温的共同作用下发生热腐蚀。     

基于特征的航空发动机涡轮叶片参数化设计

从零件层、特征层和参数层的角度,详细分析和阐述了涡轮叶片及其叶身特征、叶身附属特征和标准件之间的关系.给出了涡轮叶片的叶身特征、标准件,以及叶身附属特征中的扰流柱和隔肋特征参数化设计的实例.详细介绍了扰流柱和隔肋的参数化设计过程,以程序设计结合标准模板件的方式实现了扰流柱和隔肋的参数化设计.     

汽轮机叶片叶型测量综述

详细介绍了目前国内外汽轮机叶片和飞机叶片的主要测量方法的测量原理及每１种测量方法能达到的测量精度。最后，作者对叶片未来测量仪器的设计提出了一些自已的观点和建议，对叶片测量仪器的设计具有一定的参考价值。     

涡轮流量计的特点分析及使用

介绍涡轮流量计的特点，原理及使用过程中应注意的事项。     

球形定位技术在涡轮叶片生产中的应用研究

为解决涡轮叶片研制生产中定位转化繁复、误差累积明显、制孔效率低等问题,提出了球形定位技术方案.球形定位解决了工装与气膜孔相互干涉、叶片制孔效率低的问题,通过叶片试制加工和生产验证,球形定位技术减少了基准转换,利于工装设计,制孔效率提升,可以应用于叶片工程化生产.     

导向器尾缘结构面积变化对涡轮性能的影响

涡轮导向器尾缘的精细结构由于加工误差的存在,会导致流道流通面积的改变,进而会使涡轮性能发生改变.从实际工程问题出发,采用数值模拟的方法,研究了某型发动机低压涡轮导向器尾缘的“劈缝”冷却结构由于变形导致的尾缘前后(叶盆尾缘处流道面积T1和叶背尾缘处流道面积T2)面积变化对涡轮流场和性能的影响.研究结果表明:在设计状态下,涡轮的喉道为T2;当T2大于设计值时,涡轮功率和涡轮流量变大,涡轮效率和涡轮功变小,但是涡轮的功率存在一个最高值的T2;当T1大于设计值时,涡轮效率和涡轮功增加.     

喷射成形技术在涡轮盘高温合金中的应用

喷射成形是一种新型快速凝固技术,采用这项技术制备的镍基合金,具有细小、球状的晶粒和均一的组织,从而提高其性能。本文综述了喷射成形技术在涡轮盘用镍基高温合金中的应用及其发展与研究现状。     

涡轮叶片精铸模具知识模板构建及应用

为了缩短涡轮叶片精铸模具的设计周期,本文通过研究知识模板的组织结构和实现方法,提出了一种基于知识模板的产品快速设计方法.通过提取和总结涡轮精铸叶片模具设计过程中的相关知识和参数化设计规则,建立了模具外围机构的知识模板,并通过实例验证了基于知识模板的设计的有效性和实用性.