涡轮盘腔内流动和传热的数值模拟

将实际涡轮盘腔简化为转子系统, 并用混合长度模型、N-S方程和能量方程模拟了该系统的流场和温度场, 采用SIMPLE法数值计算了自由转盘周围的温度场;封闭转子-静子腔内的流场和温度场;有入流和出流的转子-静子腔内的流场。计算结果与实验值符合较好, 因而为数值模拟涡轮盘腔内的流场和换热打下了基础。      

双辐板涡轮盘盘腔单向流固耦合分析

为减轻质量、提高冷却效率,针对下一代高推重比涡扇发动机高压涡轮盘的优化设计,基于3维双辐板涡轮盘模型进行单向流固耦合分析,通过定常流动换热分析得到该结构盘腔中的流场、压力场和温度场分布,将盘腔表面压力分布和盘体上的温度分布作为载荷传递给盘体,对盘体进行应力分析得到应力场,从而建立起温度场和应力场的直接关联,总结出盘腔转速是影响盘体最大等效应力的关键参数,为双辐板涡轮盘的冷却设计和结构优化提供了数据支撑。     

复合材料热压罐热流耦合数值模拟技术研究

基于热压罐成型仿真软件,采用有限元方法对复合材料成型的热压罐内流场、温度场进行了研究。流场计算优化了罐内的流场分布,确定了零件工装在罐内的合理位置;温度场计算表明:当固化9000s以后,罐内的流场稳定、温度场均匀。通过热压罐热流耦合数值模拟与工程实际相结合,不但可以大大提高工艺设计效率,而且可以弥补工程实践中难以预测的流场和温度场变化过程,提高产品固化质量。     

变温热处理过程的相场模拟及其参数标定

航空发动机双性能涡轮盘热处理工艺的研究,大多采用试验的方法建立涡轮盘合金的热处理工艺数据库,但试验法的研究周期长、成本高,提出一种可用于预测变温热处理过程中晶粒演化行为的相场模型。为了模拟不同热处理温度下高温合金的晶粒演化行为,对相场模型进行改进,在相场模型中引入Arrhenius关系,用于描述高温合金晶界运动与温度的量化关系。基于改进的相场模型和拟合的模型参数,计算分析热处理过程中晶粒尺寸的变化和形貌演化规律。结果表明:计算数据与试验数据吻合,晶粒的演化规律与理论分析和试验观察结果一致,证明了拟合的Arrhenius关系中的晶界迁移速率M适用于模拟相应温度下的热处理过程,同时,以上结果也验证了该模型改进方法的可行性及其拟合参数的准确性。     

高位进气、径向出流的旋转腔内流动与换热的数值研究

用标准k-ε模型模拟了航空发动机涡轮盘冷却系统的高位进气、径向出流盘腔模型的湍流流场和温度场,分析了其盘面平均Nu数随旋转雷诺数Reω和进气雷诺数Re的变化。     

基于过渡态测试数据的高压涡轮盘瞬态热分析模型优化方法

为了提高发动机高压涡轮盘瞬态温度场的分析精度,提出利用试车过程中旋转部件过渡态壁温测试数据的高压涡轮盘瞬态热分析模型优化方法。引入自适应模拟退火（ASA）优化算法,将典型位置处温度计算值与测试数据之间的均方根误差最小为优化目标,建立了过渡态热分析计算模型优化方法,实现了高压涡轮盘瞬态热分析模型的自动优化。以高压涡轮盘实际历程下壁温测点数据为基准,开展瞬态热分析模型优化及验证。结果表明：优化后热分析模型的节点温度计算值随时间的变化曲线与实测温度变化趋势吻合良好,且在全时间域内高压涡轮盘典型位置处瞬态计算壁温与测试值的平均偏差为11 K,最大偏差为15 K,满足工程计算的精度要求。算例表明高压涡轮盘瞬态热分析模型优化方法在提升温度场修正计算效率的同时具备较高的计算精度。     

先进航空发动机涡轮盘合金及涡轮盘制造

涡轮盘是航空发动机的心脏.涡轮盘的可靠性主要取决于其坯件的冶金质量,涡轮盘的完整性、均匀性和性能水平,还取决于所用合金及其坯件的热加工和热处理工艺的优化.本文对先进涡轮盘坯件,即纯洁、均匀、细晶组织的高温合金坯件制备三种工艺,以及涡轮盘零件锻压成形技术进行综合评述.     

基于CFX的涡轮叶片流场及温度场的数值模拟

涡轮叶片作为航空发动机重要的热端部件,其工作情况直接影响到涡轮的机械效率.利用流体计算软件CFX研究了涡轮叶片工作时的流场及温度场,并进行了较为深入的分析,较真实地展现了叶片工作时的情况,为验证冷却方式的有效性及对涡轮叶片进行热-结构耦合计算奠定了基础.     

基于非结构网格的涡轮气热耦合数值方法研究

利用课题组自主开发的三维非结构隐式N-S计算软件CU_Turbo,采用气热耦合计算方法,对MarkⅡ内冷径向涡轮导向叶片、带气膜冷却涡轮导叶MT1的流场和温度场进行了数值模拟。计算过程中,隐式时间推进中Jacobi ans矩阵采用对Roe通量的一种近似方法求解。结果表明,计算值与试验值吻合良好,验证了气热耦合计算方法的实用性和有效性,为涡轮工程设计提供了一种新的计算分析方法;涡轮叶片通道内附面层的不同流动状态及气膜冷却,对当地换热都有很大的影响。     

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。     

压气机和涡轮转子三维温度场计算研究

为了对压气机盘和涡轮盘低循环疲劳寿命分析提供温度场数据,采用ANSYS计算软件的热分析模块对某型航空发动机高压压气机转子瞬态温度场和低压涡轮转子三维稳态温度场进行计算研究。重点分析旋转盘腔、旋转轴系、封严篦齿、榫头装配间隙等部位的换热规律;计算结果与相关文献进行对比,验证转子温度场计算方法的可行性。计算结果表明：从慢车到最大状态过程中,高压压气机盘最大径向温差先增加后减小直至稳定,中心孔附近较厚区域温度梯度最大;低压涡轮盘中下部沿轴向盘面温差很小,整个轮盘高温区域集中在轮盘盘缘。     

FGH96粉末高温合金涡轮盘淬火过程界面换热系数的研究

以试验方法研究了FGH96粉末高温合金涡轮盘在空冷、风冷和油淬等条件下的表面换热行为,进而反算求解得到了界面换热系数,并将其应用到实际盘件热处理过程的数值模拟当中。结果表明,油淬条件下的界面换热系数远大于其他两种冷却方式,其最大值约为空冷换热系数最大值的10倍。现有工艺适合文中涡轮盘的热处理,淬火应力低于材料对应温度的屈服强度。     

涡轮叶尖间隙计算实现方法与结果分析

叶尖间隙分析是研究叶尖问隙控制方法，改善发动机性能的重要内容。本文应用有限元ANSYS软件分析了某型发动机高压涡轮在温度场及离心力作用下叶尖间隙在发动机工作过程中的变化情况，介绍了涡轮各构件换热边界条件的计算方法，给出了对涡轮盘施加温度场的新方法。计算结果表明：除起动初期及停车前的很短时间外，离心力引起的涡轮盘径向位移为轮盘总位移的20％左右；离心力所引起的叶片径向位移约为叶片总位移的5．5％。     

航空发动机涡轮盘低循环疲劳寿命研究

结合某型涡轴发动机一级涡轮盘低循环疲劳寿命研究的工程实践,阐述了对涡轮盘低循环疲劳寿命研究的一般过程和方法,提出了涡轮盘低循环疲劳寿命试验的加载程序和方法,对开展同类型的涡轮盘疲劳寿命研究具有借鉴作用。     

精铸过程位移场的数值模拟方法

为了保证精铸件的成形精度,制造所用的模具型腔必须对铸件的收缩变形进行补偿。提出一种精铸过程位移场的数值模拟方法：通过涡轮叶片的精铸实验,测量与分析铸件上特定位置的温度值变化曲线,反向求解了界面换热系数随时间的变化关系,提高了铸件凝固过程中温度场数值计算的精度。通过设置适当的工艺参数和边界条件,基于熔模铸造温度场和应力场,对精铸过程进行耦合计算,得到了较为精确的凝固过程位移场,与实测结果吻合较好,为精铸涡轮叶片模具型腔的优化提供了量化参考依据。     

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。     

双辐板涡轮盘盘腔流动换热分析

基于UG软件建立了双辐板涡轮盘的三维模型,基于CFX软件对双辐板涡轮盘盘腔内的流动换热现象进行了数值模拟,获得了典型工况下旋转盘腔内的流场和温度场分布,初步总结了该盘腔结构内的流动换热规律。结果表明:该盘腔结构内的流动形式为典型的源-汇流动,冷气的总压和温度沿径向均逐渐增大,总压增和温度差随转速的增加而增大、随冷气流量的增加而减小,对流换热系数在不同流场区域表现出不同的分布特征。为双辐板涡轮盘的进一步结构优化设计提供了参考。     

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.      

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。     

GH4169合金直接时效锻造过程的数值模拟

直接时效（DA）锻造工艺已成为生产GH4169合金涡轮盘锻件的基本方法之一。但实施DA锻造工艺时,锻造过程的各个环节要求严格控制,而且要有足够吨位的设备。参照在压力机上实施DA工艺的终锻过程,用有限元变形-传热耦合分析方法对直径520mm和高度190mm的GH4169合金坯料在不同情况下的镦粗过程进行了数值模拟。大量计算结果表明,在压力机上实施DA锻造工艺时,为了获得优质GH4169合金涡轮盘锻件,应合理确定压力机滑块速度,尽可能改善润滑情况及适当提高模具预热温度。对于GH4169合金涡轮盘锻件,采用等温DA锻造工艺可能是最佳的选择。研究结果对于在国内的生产条件下实施GH4169合金DA锻造工艺具有指导作用。