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。     

Analysis of Factors Affecting the Service Life of a Centripetal Turbine Rotor

The reasons for shortening the service life of blades and the rotor disk of a small-sized centripetal turbine are analyzed both at the maximum operating modes of the turbine and the starting and stopping stages. The ways of partitioning the rotor blade into elements and relating them to the disk elements in creating the mathematical model of strength analysis are considered.     

Influence of long-term service life upon characteristics of durability in high temperature alloys

We examine the influence of long-term service life upon mechanical properties, high temperature strength, low-cycle fatigue resistance, and structural state of high temperature nickel-base alloys used in manufacture of aircraft GTE turbine rotor blades and disks.     

Effects of axial gap and nozzle distribution on aerodynamic forces of a supersonic partial-admission turbine

The turbine in an LH2/LOX rocket engine is designed as a two-stage supersonic partialadmission turbine. Three-dimensional steady and unsteady simulations were conducted to analyze turbine performance and aerodynamic forces on rotor blades. Different configurations were employed to investigate the effects of the axial gap and nozzle distribution on the predicted performance and aerodynamic forces. Rotor blades experience unsteady aerodynamic forces because of the partial admission. Aerodynamic forces show periodicity in the admission region, and are close to zero after leaving the admission region. The unsteady forces in frequency domain indicate that components exist in a wide frequency region, and the admission passing frequency is dominant.Those multiples of the rotational frequency which are multiples of the nozzle number in a fulladmission turbine are notable components. Results show that the turbine efficiency decreases as the axial gap between nozzles and the 1 st stage rotor(rotor 1) increases. Fluctuation of the circumferential aerodynamic force on rotor 1 blades decreases with the axial gap increasing. The turbine efficiency decreases as the circumferential spacing between nozzles increases. Fluctuations of the circumferential and axial aerodynamic forces increase as the circumferential spacing increases. As for the non-equidistant nozzle distribution, it produces similar turbine performance and amplitudefrequency characteristics of forces to those of the normal configuration, when the mean spacing is equal to that of the normal case.     

透平叶顶泄漏能量损失的数值计算

商用N S求解器已经被用于透平动叶顶部空隙的非定常流场的模拟和研究。本文介绍了一种新的用于透平动叶片顶部空隙区域流场计算的能量损失方法 ,可以方便地用于各种流场。发现高黏度效应区域位于上端壁附近而不是在叶片顶部。研究表明对于不同的动叶片其顶部泄流的能量时均损失是不一样的。该结果提供了一个有用的线索 ,可以通过叶片设计者设计出不同几何和空气动力学参数的非统一的动叶片 ,从而减小能量损失     

用气膜冷却来防止热斑引起的涡轮叶片过热

为了防止燃烧室出口热斑引起涡轮叶片过热，通过求解二维非定常N-S方程研究了热斑对高压涡轮一级叶片型面压力和温度的非定常影响，并对气膜冷却这种热防护方法进行了尝试。计算结果与公开发表的实验数据基本吻合。结果显示热斑的存在对涡轮级型面压力影响微小，但是会导致动叶型面特别是压力面的温度显著升高并随时间大幅波动。在动叶压力面鳃区引入气膜冷却对型面压力和热斑在涡轮级内的运动影响不大，但可以有效地阻隔高温热斑与压力面的直接接触，并显著降低壁温和减小温度随时问波动的幅度。     

一种单晶涡轮叶片热机械疲劳寿命评估方法

针对单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)问题,围绕单晶涡轮叶片TMF试验,结合单晶变形、损伤理论及数值模拟,建立了一套单晶涡轮叶片TMF寿命评估方法.利用空心气冷涡轮叶片TMF试验系统,对单晶涡轮片考核截面在服役条件下所产生的交变应力场和交变温度场进行模拟,确定了裂纹萌生部位及其TMF寿命.考虑单晶涡轮叶片变形和损伤行为的特征,分别建立了基于滑移系的Walker黏塑性本构模型和基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型.利用上述本构和寿命模型,完成了单晶涡轮叶片TMF试验的数值模拟.结果表明:叶片理论危险点与试验结果一致,且计算寿命基本落在试验寿命的3倍分散带内.      

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

基于叶尖定时的航空发动机涡轮叶片振动测量

介绍了基于叶尖定时的非接触振动测试系统应用于涡轮转子叶片的技术瓶颈,突破高温传感器结构设计、安装以及冷却等技术难点,通过设置系统触发信号保持时间,解决H型涡轮转子叶片对叶尖定时信号的二次触发问题,并给出核心机状态下转速基准实现方法。将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片振动监测中,有效获取涡轮转子叶片共振时的振动频率和幅值,并与应变计测量叶根动应变结果进行比对。结果显示:基于叶尖定时的非接触振动测试系统和接触式动应力测试系统均可监测涡轮转子叶片振动,成功辨识转子叶片8 200 r/min时的12阶激励阶次激发的一弯振动模态,两种分析方法识别共振频率相对误差在4%以内。     

Review of state of the art in smart rotor control research for wind turbines

This article presents a review of the state of the art and present status of active aeroelastic rotor control research for wind turbines. Using advanced control concepts to reduce loads on the rotor can offer great reduction to the total cost of wind turbines. With the increasing size of wind turbine blades, the need for more sophisticated load control techniques has induced the interest for locally distributed aerodynamic control systems with build-in intelligence on the blades. Such concepts are often named in popular terms ‘smart structures’ or ‘smart rotor control’. The review covers the full span of the subject, starting from the need for more advanced control systems emerging from the operating conditions of modern wind turbines and current load reduction control capabilities. An overview of available knowledge and up-to date progress in application of active aerodynamic control is provided, starting from concepts, methods and achieved results in aerospace and helicopter research. Moreover, a thorough analysis on different concepts for smart rotor control applications for wind turbines is performed, evaluating available options for aerodynamic control surfaces, actuators (including smart materials), sensors and control techniques. Next, feasibility studies for wind turbine applications, preliminary performance evaluation and novel computational and experimental research approaches are reviewed. The potential of load reduction using smart rotor control concepts is shown and key issues are discussed. Finally, existing knowledge and future requirements on modeling issues of smart wind turbine rotors are discussed. This study provides an overview of smart rotor control for wind turbines, discusses feasibility of future implementation, quantifies key parameters and shows the challenges associated with such an approach.     

基于威布尔的发动机涡轮叶片寿命可靠性评估

在发动机涡轮叶片寿命层面上提出了三参数的威布尔分布,确定其寿命的实际分布,为发动机涡轮叶片的可靠性定量评估提供了一种切实可行的方法．其可行性已被初步的实验证实。同时也为航空公司合理备件、节约备件库存量提供参考,对提高公司的运作效益有着重要的意义。     

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

航空发动机叶片力矩测量装置设计

对航空发动机、汽轮机等转动系统的叶片进行平衡可有效地减少振动,通过对叶片进行质量排序或力矩排序可最大限度地减小不平衡量.在分析力矩测量原理的基础上结合叶片定位特点提出一种叶片力矩测量装置,结果表明该装置能够高效、准确地测量不同类型叶片在叶盘上的力矩,为叶片力矩排序提供数据支撑.     

涡轮高载荷动叶片设计及级三维流场数值分析

针对一个涡轮的典型级,减少动叶片的数18只,采用参数化叶型法重新成型三维叶片的五个截面叶型,用Fluent分别对各截面进行粘性S1正问题流场分析计算,然后将5个截面沿径向以各截面的重心积迭形成三维叶栅。对新成型的叶栅和原叶栅组成的涡轮级分别进行三维粘性流动分析,表明新设计的叶栅叶片载荷增加15%,而效率基本保持不变。     

辐射测温技术在涡轮叶片温度场中的应用

本文利用辐射高温计ROTAMAPII测量了某型燃机二级涡轮转子叶片的发射率。通过对该燃机的试车获取了多个试验状态的数据．对试验状态9100r／min、2260kW下的试验数据进行分析表明,该燃机涡轮叶片温度场与理论要求是吻合的。     

On energy effectiveness of an air turbine in the blade cooling systems

In this paper, we consider the thermogasodynamic relations describing the working process in the axial-radial gas turbine stage when the working fluid flows inside the rotor blades taking into account the initiation of the Coriolis forces and heating. The expressions for the air turbine efficiency are derived and illustrated by the calculation results.     

竞争风险模型下变环境的发动机叶片可靠性分析

针对航空发动机转子叶片的恶劣工况导致其存在多种故障模式,各种故障的失效与使用环境紧密关联,给航空发动机转子叶片的可靠性分析或风险控制带来了难度这一问题,从转子叶片的磨损和裂纹两种主要故障模式特点出发,研究了变环境下的转子叶片磨损故障模型和疲劳裂纹故障模型,提出了一种基于竞争风险模型的转子叶片可靠性分析方法,并给出了求解算法;以某高压涡轮转子叶片为例进行了分析研究.结果表明:在可靠性分析中采用单个故障模型比竞争风险模型风险更大;且在竞争风险模型下,如果不考虑推力环境的影响,以不可靠度要求0.1为例,相应风险增加了33%,验证了所提方法的实用性.      

高负荷低展弦比氦涡轮端壁损失机理研究

以某多级氦涡轮第一级为研究对象,借助数值模拟技术对低展弦比涡轮动静叶端壁通道涡迁移及干涉机制进行研究,并考察了叶片弯曲对涡轮气动性能的影响。结果表明：受下端壁道涡影响,导叶出口近叶根处气流过偏转,导致转子前缘近轮毂区正攻角变大;叶片根部负荷增加,致使马蹄涡压力面分支与吸力面分支交点前移;下端壁通道涡径向迁移至近叶顶区,其与叶尖泄漏涡相互影响致使叶顶区粘性损失显著增加。弯叶片对低展弦比大折转涡轮叶片的作用效果与传统涡轮具有明显差别：叶片正弯时叶顶载荷减小,导致叶顶间隙泄漏涡与通道涡强度及损失显著减小,涡轮性能得到改善;叶片反弯时叶顶载荷增加,致使叶尖泄漏损失增大,且强径向压力梯度作用下下端壁低能流体向叶顶汇聚,损失显著增加。     

叶尖间隙高度对某高压涡轮级损失分布的影响

利用三维湍流数值模拟方法模拟某一级跨声速高压涡轮流场,研究转子叶片叶尖间隙高度对涡轮性能及二次流动损失分布的影响.研究结果表明:转子叶尖间隙高度对涡轮性能影响明显,随着间隙高度的增加涡轮效率明显降低,但效率的降低速度与间隙高度并非简单线性关系,间隙高度增加1%相对叶高,涡轮性能最快下降1.8%.分析表明:涡轮转子间隙高度变化主要影响转子叶栅通道上部流动并对通道内的损失分布产生影响.其中损失最严重的区域为转子通道中部至叶片尾缘处;尾缘后的损失则对间隙的高度最敏感,随着间隙高度的增加,叶片尾缘后损失明显增加.      

高温合金涡轮叶片材料的现状与发展

 本文回顾了自1956年以来,近三十年我国航空发动机铸造涡轮叶片的发展历史和现状,归纳了在此期间材料和铸造科研人员提供的铸造高温合金和铸造方法,满足了航空发动机的需要。 在铸造动叶片、空心叶片的陶瓷型芯、弥散强化合金的研究与运用计算机进行质量控制等方面都取得显著的成就。 着眼为将来发展高性能发动机,文中提出研究陶瓷和难熔金属材料以适应下列要求: 1.更高的工作温度 2.更高的表面稳定性 3.更高的力学性能 除了应不怕失败地发展上述材料外,还应考虑高温合金仍是550～1100℃下工作的发动机结构件材料,而且还要使用一段很长的时间。因此,要研究推广计算机的应用。难熔金属模具及真空压铸叶片工艺的改进,将提高叶片质量和代替传统的熔模铸造工艺。