涡轮叶片辐射热冲击疲劳试验控制技术研究及实现

针对涡轮叶片热冲击疲劳试验的加热模拟需求,采用了基于石英灯辐射加热与气化液氮和喷水强制冷却的多种方法。通过石英灯辐射加热系统、电动伺服装置和冷却装置的参与,实现了连续的热冲击和强制冷却降温过程。温度控制方法满足了辐射热冲击过程的快速升温要求,其与控制器直接输出驱动控制的分时联合应用,在强制冷却降温过程中避免了单纯温度控制所导致的加热系统高频次震荡现象。此方式为模拟涡轮叶片实际启动-停车循环的热冲击过程提供了新的思路和借鉴。     

大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计

针对结构热试验模拟的精细化需求,对大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计进行了研究。发展了石英灯阵辐射热流模拟程序,分析了采用传统单灯热流分布数据库插值叠加获得的石英灯阵热流分布的适用范围,基于遗传算法,发展了以灯阵中各灯功率为优化参数的石英灯阵热流模拟优化设计方法,并基于所建方法对某飞行器结构部件迎风面气动加热进行了灯阵模拟,获得了灯阵加热和气动加热条件下迎风面温度变化特性。结果表明,基于本文方法对石英灯阵中各灯功率进行优化设计,采用简单石英灯阵即可有效地模拟大面积非均匀气动加热,从而有效提高试验模拟精度,但前缘等位置的高热流区模拟精度有待进一步提高。     

带热障涂层单晶合金叶片模拟热冲击服役环境试验研究

对带热障涂层的单晶涡轮叶片进行模拟服役环境热冲击循环试验,并采用光学显微镜、扫描电镜对试验后的热障涂层进行分析.结果表明:带热障涂层单晶涡轮叶片经过42次热冲击循环后,叶片前缘气膜孔附近的涂层首先出现脱落;经过71次热冲击循环后,叶片前缘附近涂层脱落的面积明显增大.微观结构分析表明,热冲击环境下叶片前缘位置热生长氧化物...     

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.      

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

基于接触式高温应变测试试验的涡轮叶片强度分析

基于涡轮叶片实际工况,建立了热-流-固耦合有限元仿真模型,得到了涡轮叶片的温度场、压力场、应力场与应变场。开展了涡轮叶片强度测试试验,试验中根据温度场仿真结果,通过感应加热装置对叶片加热;根据叶片转速计算等效离心载荷,通过液压拉伸试验机对叶片施加等效载荷。基于接触式高温应变测试方法开展了叶片静态应变测量,并通过测量结果与仿真结果的对比,验证了测试方法在涡轮叶片静态高温应变测量中的可行性。     

涡轮第一级导向叶片的气膜冷却仿真

气膜冷却是保证航空发动机涡轮导向叶片正常工作的重要方法之一。为研究在较高涡轮前温度条件下气膜孔布置对叶片前缘降温的效果,采用ANSYS CFX的RNG k‐ε模型对选定叶片进行了叶片前缘气膜冷却仿真。根据驻点、流动分离点等条件确定了气膜孔位置,并根据仿真效果对气膜孔布置进行调整。通过仿真结果表明,调整好位置的气膜孔对叶片前缘的冷却效果比较明显。     

石英灯阵模拟非均匀气动加热的功率优化

针对结构热试验非均匀热环境模拟的精细化需求,以石英灯阵热流分布理论解析方法为基础,建立了基于线性分析模型的石英灯阵功率快速优化方法,对石英灯阵模拟非均匀气动加热的功率优化问题进行了分析研究。结果表明：线性分析方法可以快速有效地优化石英灯阵功率,对于比较平缓的热流分布可以获得较好的优化结果,对于大梯度热流分布也能获得与遗传算法较为一致的热流优化结果和规律;模拟非均匀气动加热的功率优化结果对热流输入比较敏感,需要通过优化来选择合适的测点范围和测点数量得到相对稳定的系数矩阵。相关研究结果对模拟非均匀气动加热的石英灯阵功率优化设计具有重要参考意义。     

Φ1m电弧风洞大尺度防隔热组件烧蚀热结构试验

针对大面积区域高焓、低热流、长时间气动加热环境,对1 m电弧风洞地面模拟试验系统进行了建设与完善,并引入了石英灯辐射辅助加热技术,对400 mm ×400 mm大尺度模型进行了试验,结果表明这种联合加热方式能够有效用于大尺度模型防、隔热及烧蚀热结构性能考核试验研究.     

圆弧腔内有气膜孔的多排射流冲击传热试验研究

在燃气涡轮叶片中,常常在内腔采用冷空气射流冲击热壁,和把冷空气从气膜小孔排往叶片外表面,形成冷气膜,冷却和保护叶片,以便提高燃气温度,改善发动机的性能。对于叶背内腔的多排射流冲击冷却,上游射流沿腔壁流动所形成的横流会影响到下游排孔的冲击射流;同时还具有受冲击的壁面是弧形的及沿弧腔一般存在气膜出气孔的特点。本文针对这两项因素进行了模拟试验,与新近获得的平直腔冲击传热试验结果作了比较。结果表明,这两项因素均有利于提高内部冷却效果。