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...     

陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的应用

介绍了适应未来先进航空发动机需求的陶瓷基复合材料在国外航空发动机热端部件上的应用现状,并展望了陶瓷基复合材料在国内航空发动机热端部件上的应用前景.     

陶瓷基复合材料在欧美军民用航空发动机上的发展

陶瓷基复合材料作为航空发动机候选材料之一,具有广泛的应用前景,本文主要概述了陶瓷基复合材料在欧美军民用航空发动机尾喷口、燃烧室和涡轮等热端部件方面的发展和应用。     

新一代发动机高温材料—陶瓷基复合材料的制备、性能及应用

目前,国内在陶瓷基复合材料构件领域的研究尚处于起步阶段,从高性能纤维制备、复合材料制备/加工工艺到构件设计,尚不能满足航空发动机热端构件工程化应用需求,必须依托发动机设计、构件研制和原材料研制等单位,通过强强联合、协同攻关,形成陶瓷基复合材料产学研的合力,加速我国陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的应用。     

恢复性能热处理在航空部件修复中的应用

<正>航空发动机热端部件如涡轮叶片、涡轮转盘、整体铸造扩散机匣等长期服役后,虽然外观良好,但性能下降。采用恢复性能热处理技术,调整到寿部件中的析出相,全部或部分地恢复材料组织和力学性能,可延长到寿部件的使用年限。航空发动机涡轮工作叶片、导向叶片、扩压器、燃烧室机匣、涡轮盘等热端部件,多为镍基、钴基高温合金。在高温下长期工作,这些合金中的相会发生变化,强化相会聚集长大,有害相会沉淀析出,在高温和应力作用下甚至会出现微缺陷,导致材料的高温拉伸性能、持久性能下降。当性能下降过多时,构件存在失效     

纤维增强陶瓷基复合材料在国外航空发动机上的应用

由于纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的高温性能和较好的韧性,法国、美国等航空发动机技术先进国家大量开展了将其应用于航空燃气涡轮发动机高温部件的研究,并已经少量实际应用到现役的和在研的发动机上.     

陶瓷涂层在航空发动机上的应用研究

海军用航空发动机工作环境相当恶劣,其热端部件极易受到腐蚀,在涡轮叶片喷涂陶瓷涂层可以有效解决这一问题。本文通过试验验证的方法,分析了陶瓷涂层的抗高温氧化、抗高温热腐蚀和抗热震性能,以及介绍了陶瓷涂层在航空发动机上的应用及发展前景。     

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机上的应用

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)具有低密度、高强高模、耐高温抗氧化、抗蠕变、抗热冲击、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等性能优点,在航空发动机上具有巨大的应用潜力。从碳化硅纤维、制备工艺、界面相和涂层等方面综述了国内外SiC/SiC CMC的发展现状,并基于SiC/SiC CMC的性能特点对其在航空发动机燃烧室火焰筒、混合器、涡轮罩环/静子叶片/转子叶片、喷管调节片等热端部件上的应用情况进行了介绍。     

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。     

陶瓷基复合材料环境障涂层研究进展

在发动机工作环境下,高温、腐蚀介质、燃气冲刷以及复杂应力环境等多因素交互作用,SiC陶瓷基复合材料表面稳定性急剧恶化,成为制约其应用于航空发动机热端部件的主要因素之一。环境障涂层(Environmental Barrier Coatings,EBC)可以有效解决这一难题,成为SiC陶瓷基复合材料应用于高推重比航空发动机热端部件的关键技术。     

高负荷跨音速模型涡轮的设计与试验研究

 采用大转角的跨音设计是提高涡轮级负荷的有效途径之一。将原控制环量设计的模型涡轮改设计成跨音级,进行了研究。气动设计采用了作功量沿叶高为抛物线型的分布规律。叶片造型采用了短弦长、低稠度设计,叶背型线曲率为“倒曲率”分布。平面叶栅试验表明其性能良好。级试验表明其性能良好,变工况特性变化平缓。沿叶高测量表明,气流参数与设计值基本吻合。本研究摸索了跨音设计的技术途径,并取得了良好的效果。     

航空发动机初步设计阶段涡轮流道多学科优化设计分析方法

针对航空发动机涡轮初步设计阶段,在完成气动流道初步设计的前提下,综合考虑气动流道与叶片轮盘关键结构特征的制约和平衡关系,建立了关于高压涡轮气动流道和转子强度分析的多学科优化模型,进行了以气动流道效率和转子结构质量为目标函数的涡轮流道多学科多目标优化,优化后涡轮转子最大径向应力和最大周向应力分别下降4.62%和10.63%,同时危险截面处的平均径向应力和周向应力也分别下降了42.99%和3%,使涡轮部件气动和结构强度的多学科综合性能提高3.41%.     

透平跨音速叶栅的优化设计

将遗传算法用于透平跨音速叶栅的优化设计,提出了相应的数学模型和优化方法。优化算例表明,本文所提出的模型及算法能有效的优化叶型方案,避免了一般优化算法的局部最优或维数灾难问题,从而在新的领域内将优化计算在叶轮机械设计中的应用进行了有益的探索。      

大膨胀比向心涡轮多学科优化设计及敏感性分析

向心涡轮内部流动复杂,功率密度大且结构限制严,因此,向心涡轮的设计必须考虑到气动、强度、结构等多学科间的耦合问题。采用多学科优化策略是提升向心涡轮气动效率和安全可靠性的一种可行途径。基于向心涡轮结构特点,发展了通用的向心涡轮三维参数化造型方法。耦合多目标优化算法和向心涡轮三维参数化方法,建立了向心涡轮多目标多学科优化设计体系。以频率为约束,以提高总静效率、降低叶根最大应力为优化目标,开展了向心涡轮的多学科优化设计。优化后,在避开所有危险共振频率的前提下,就单一性能指标而言,涡轮级的总静效率最高可提高1.35%,叶根最大当量应力最高可降低12.54%。进一步,对设计空间开展了敏感性分析,揭示了对性能指标影响显著的设计变量,阐明了关键设计变量对性能指标的影响机制。     

正交化设计对大子午扩张涡轮紧凑过渡段的流动性能影响

为了降低大子午扩张涡轮端区二次流损失和流动损失,同时降低过渡段缩短对涡轮性能的影响。本文对具有大子午扩张低压涡轮过渡段的紧凑过渡段设计进行气动分析,设计的紧凑型过渡段径向长度减小了30%,分析涡轮带原始过渡段和缩短后的紧凑型过渡段的气动性能和流场状态。并对涡轮静叶采用正交化设计,初步探索正交化设计对大子午扩张涡轮紧凑过渡段的流动性能的影响。研究发现,紧凑型的过渡段增加了气动损失,但涡轮静叶采用正交化设计后,整体效率增加了1.32%;正交化设计也能够改善叶片表面的压力分布,吸力面低压核心区从两个减少到一个;流道出口损失降低,涡轮整体气动性能提高。     

低速模拟技术在高压涡轮级中的应用

借鉴低速模拟技术在航空发动机高压压气机研究中的成功经验,探索了将其应用于高压涡轮部件时的气动设计方法,提出了一种改进的叶型重设计方法.以此方法为设计准则,选取E3发动机高压涡轮的第1级为原型高压涡轮,设计了与其相似的低速涡轮试验设备.在设计过程中保证了两者之间相等或相近的稠度、展弦比等结构参数,相近的效率、负荷系数、沿径向分布的效率和气流角等气动参数,以及类似的无量纲叶片表面等熵马赫数分布形式.数值模拟结果表明:由于低速涡轮设备的落压比、总温比等参数均与原型高压涡轮差别较大,压气机低速模拟中常用的流量系数、叶片表面压力分布等相似参数不再适用.按照给出的结构和气动相似参数所设计的低速涡轮模型达到设计要求,其能够反映出原型高压涡轮主要的气动参数变化趋势,能够作为涡轮内部气动热力学研究的试验载体.      

基于体积力模型的1维涡轮特性评估方法

涡轮低维气动特性评估方法的预测精度对涡轮气动设计有重要意义.基于适用于轴流涡轮特性评估的1维体积力方法,分析和局部调整了Adam和Leonard的1维体积力模型中的叶片力源项和离心力源项,并在特性计算中引入涡轮损失模型.通过1个低压涡轮和1个含冷气高压涡轮对该方法进行验证,计算结果表明:该方法对2个算例在涡轮设计工况点的流量效率预测偏差均在1％以内,且能够反映涡轮气动特性随膨胀比的变化趋势,具有良好的精度,可用于快速可靠地评估涡轮低维气动特性.     

航空发动机涡轮动叶设计平台的构建与验证

针对航空发动机涡轮叶片的设计流程,开发了涡轮动叶的设计平台。基于气动热力学方法建立了1维性能设计模块;并在研究平面叶栅造型设计方法的基础上,建立了2维气动分析模块,可以实现2维叶型气动性能的快速分析;在实心/冷却叶片参数化设计的基础上,引入多学科可行方法,建立了实心/冷却叶片设计和多学科优化模块。利用所开发的设计平台进行了某型冷却叶片的多学科设计优化,有效提高了该叶片的综合性能,验证了平台的有效性。     

非均匀有理B样条曲线及节点插入算法在透平叶片优化设计中的应用

将非均匀有理B样条(NURBS)曲线及节点插入算法应用到透平叶栅的二维参数化造型,可以兼顾造型参数的实际物理意义和型线调节的灵活性;将控制点可调的NURBS曲线应用到三维叶片积叠线造型,能够构造任意形状的弯、扭、掠叶片.在此基础上搭建的透平叶片三维气动优化平台,将参数化造型、网格自动划分、流体计算并行求解集成在一起,应用实验设计和响应面分析方法进行多目标寻优.对某单级实验透平分别进行单排叶片和整级优化后,单排叶片总压损失降低了0.57%;单级绝热效率提高了0.8%.