涡轮发动机用陶瓷基复合材料涡轮转子研究进展

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.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...     

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。     

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。     

航空发动机陶瓷基复合材料涡轮部件研究进展

陶瓷基复合材料因其密度小、耐高温等优点,成为当前航空发动机涡轮部件材料研究的热点.尽管我国对其制备技术、性能、检测等方面开展的研究较少,但从长远来看,它仍是我国航空发动机制造商和维修服务供应商必须开展研究的方向.因此,本文对这一研究的进展情况进行了较为详细的梳理.     

中国航空发动机涡轮叶片用材料力学性能状况分析

简述了国内外航空发动机涡轮叶片用材料的发展,对中国航空发动机涡轮叶片用材料中的变形高温合金和铸造高温合金的拉伸、持久、疲劳性能进行了比较,分析了目前中国航空发动机涡轮叶片用材料性能数据十分缺乏的现状。     

航空发动机涡轮叶片精密成形技术及其发展趋势

空心涡轮叶片一直是制约我国高性能航空发动机研制的瓶颈。针对空心涡轮叶片精铸合格率较低的问题,在讨论涡轮叶片精密铸造工艺的基础上,从精铸"控形"及"控性"两方面,对涡轮叶片精铸成形技术的研究成果进行了总结。此外,围绕未来更高性能航空发动机涡轮叶片,从材料、结构、工艺的角度对其发展趋势进行了讨论。分析认为,陶瓷基复合材料有望在发动机涡轮叶片上得到更广泛的应用。     

航空涡轮发动机状态监控经验谈

一、引言目前涡轮发动机已是航空运输的主要动力,双转子或三转子涡扇发动机已稳定地成为航空发动机的基本结构型式。在多数航空发动机型号中,发动机的安全工作和可靠性等级都已达到相当高的水平。商用涡扇发动机的使用和维修技术也已趋稳定。未来利用新材料和新一代设计的航空发动机在设计、制造、使用、维修上不会有重大的改变。尽管航空发动机有很高的可靠性,由于种种原因,发动机在飞行中仍偶有失效。发动机在空中失效产生的危险飞行状态,仍然需要人们对     

未来航空发动机涡轮叶片用材的最新形式--微叠层复合材料

微叠层复合材料技术将是未来航空发动机涡轮叶片用材料的最新材料形式技术。本文对该技术进行了综合论述,包括微叠层体型复合材料技术及纳米层状热障涂层技术两个方面。     

陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用及热分析研究进展

陶瓷基复合材料(CMC)具有密度低、耐高温的优异特性而被视为新一代航空发动机的战略热结构材料,其制备工艺、性能设计及其在燃烧室和涡轮等热端部件的应用已成为现阶段航空发动机研究领域的热点.然而,由于编织特征导致的各向异性特性,给CMC在热端部件的应用和加工带来巨大挑战.本文总结了有关陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的...     

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.      

带级间燃烧的涡轴发动机性能仿真

为了分析涡轮级间燃烧技术对常规涡轴发动机性能提升的潜力,针对两种带级间燃烧的涡轴发动机性能方案,分别建立了部件级稳态性能计算模型,并通过仿真对比分析了级间燃烧室不同温升及总压损失条件下发动机的整机性能,结果表明:级间燃烧室总压恢复系数和温升对单位功率和总功率影响较大,当级间燃烧室总压恢复系数为0.95、温升为200K时,保持进口空气流量不变,涡轴发动机单位功率和总功率增加17%,耗油率增加约11%;在高的级间燃烧室温升条件下,适当增加动力涡轮导向器面积,改善涡轮流通能力,有利于进一步提高整机功率,降低动力涡轮前温度;两种方案对比,在涡轮过渡段设置级间燃烧室空间上更好布置,性能上更占优势.      

Optimal location and shape definition of elliptical ventilation openings on aero engine turbine rotors with stress concentration effect

The aero engine turbine rotors are under strong centrifugal load and the highest thermal load. The ventilation openings on the rotors are inevitable, because air flow need to pass through them to cool the temperatures down and keep the air pressure balanced in internal aero engine. The ventilation openings will lead to stress concentration effect. In this paper, the stress concentration factor of elliptical opening on rotating disc is deduced by superposition method. How to define the optimal lo...     

先进铝化物涂层制备技术进展

铝化物涂层是现役发动机热端部件高温氧化防护的主要手段。未来,高性能铝化物涂层仍是发展先进发动机所必需的技术。传统基于化学气相的制备方法不仅污染环境,腐蚀设备,效率低下,更重要的是难以有效制备高性能铝化物涂层。高效"绿色"化将是先进铝化物涂层制备技术的发展趋势。近年通过利用机械能辅助的策略获得了高效制备铝化物涂层的方法。另外,利用真空物理气相沉积加高温扩散的策略,"绿色"制备高性能铝化物涂层的研究也进展显著。结合上述两种策略,利用真空等离子辐照形成的离子撞击能,可高效、"绿色"地制备铝化物涂层,为高性能铝化物涂层的制备提供了一种新的有效途径。     

涡轮基组合循环发动机性能数值模拟

分析了涡轮基组合循环发动机的布局方式,选择串联式涡扇-冲压组合发动机方案作为研究对象,给出了涡扇发动机和冲压发动机主要设计参数,阐述了涡轮冲压组合发动机模态转换点的选择方法,选择马赫数3作为工作模态转换点。基于模块化合成程序的研究思想,采用数值模拟方法研究了沿飞行轨迹的涡轮冲压组合发动机的气动热力学参数以及性能特性,研究表明,可在推力波动不大于10%的情况下完成工作模态转换。     

New model-based method for aero-engine turbine blade tip clearance measurement

Active control of aero-engine turbine tip clearance is one of the best chances for engine performance uplift currently. To do that, the first requirement is real-time measurement of tip clearance in aero-engine working environment. However, turbine complexity makes it unlikely for tip clearance sensors to be loaded. In recognition of that, this paper proposed a model-based method for tip clearance measurement. Firstly, by considering previously wrongly neglected factors such as load deformation, a mathematical model to monitor dynamic tip clearance changes is built to improve calculation accuracy. Then, after clarifying the coupling relationship between engine models and tip clearance models, this paper builds a component-level mathematical model integrating dynamic characteristics of turbine tip clearance, which helps realize accurate measurement of tip clearance in working environment. How tip clearance affects turbine efficiency is studied afterwards and reported to aero-engine model, so as to mitigate performance difference between aero-engine model and real engines caused by turbine tip clearance. Lastly, by hardware-in-the-loop simulation, tip clearance model demonstrates 15.9% better accuracy than previously built models in terms of turbine centrifugal deformation calculation. As tip clearance measurement model takes averagely 0.34 ms in calculation, meeting the operation requirement, it proves to be an effective new way.     

基于新型涡轮冷却算法的航空发动机性能计算模型

针对气膜冷却和对流冷却两种常用的冷却方式,建立了新的涡轮冷却计算模型,并实现了与燃气涡轮发动机总体性能计算模型的耦合,得到了可考虑的不同冷却方式、适用于高涡轮前温度、大冷气量的燃气涡轮发动机总体性能计算模型,并与简化涡轮冷却模型的计算数据及试验数据作比较分析,表明新型涡轮冷却算法的可行性和能够提供更详细的涡轮部件气流参数.     

预置裂纹定向凝固高温合金叶片的断裂特征分析

通过对涡轮叶片用、定向凝固合金材料DZ4紧凑拉伸试样的断裂韧性计算,在有限元程序MSC.MARC下建立了复杂构件应力强度因子的计算模型;结合试验研究,计算了预置裂纹叶片的应力强度因子,分析了发生断裂时的状态,发现叶片的断裂韧性具有较大的分散性,其中一部分明显低于材料的试验值;对工作条件下的故障叶片进行了模拟计算,反映出该叶片在发生断裂时瞬断区偏大而疲劳区偏小的断裂特征。     

涡扇发动机高压涡轮前温度组合估计方法

考虑到目前暂无法实现机载条件下高压涡轮前温度直接、可靠的测量,提出一种用于涡扇发动机高压涡轮前温度估计的方法.基于涡扇发动机的能量守恒原理,建立高压涡轮前温度与气路参数的热力学关系,进而推导出高压涡轮前温度的6个估计模型.将各温度模型中不易测量的参数以整体的形式作为温度模型系数,并利用某涡扇发动机性能仿真模型建立温度模型系数与可测状态参数的多项式关系,最终确立高压涡轮前温度的组合估计模型.验证结果表明:组合估计方法在发动机健康及性能衰退状态下都具有较高的精度,其性能最好模型的方均根误差不超过1%.与已有线性拟合、神经网络等方法的对比也表明组合估计方法不论在精度还是性能稳定性方面都具有明显优势.      

Uncertainty analysis of measured geometric variations in turbine blades and impact on aerodynamic performance

Inevitable geometric variations significantly affect the performance of turbines or even that of entire engines; thus, it is necessary to determine their actual characteristics and accurately estimate their impact on performance. In this study, based on 1781 measured profiles of a typical turbine blade, the statistical characteristics of the geometric variations and the uncertainty impact are analyzed, and some commonly used uncertainty modelling methods based on PrincipalComponent Analysis(PCA)...