涡轮盘用高温合金的应用研究

本文叙述了几种涡轮发动机涡轮盘用高温合金的失效事例、冶金缺陷、应用性能及寿命预测。广泛的研究表明,屈服强度低、粗晶粒尺寸、冶金缺陷的存在是造成涡轮盘用高温合金早期失效的主要原因。通过本文,我们能够用模拟试验结果计算涡轮盘的寿命。     

粉末冶金涡轮盘的性能与特点

综述了粉末冶金涡轮盘的工艺、性能与特点 ,论述了初始缺陷对其力学性能的影响 ,并分析了影响粉末冶金涡轮盘经济性的因素 ,这对我国正在开展的粉末冶金涡轮盘研制及其强度与寿命研究具有一定的参考价值     

人工槽模拟GH4169涡轮盘表面裂纹缺陷的微磁检测

针对航空发动机涡轮盘表面裂纹缺陷,提出一种地磁场环境下的微磁无损检测(NDT)方法。磁化试验测得了广泛使用的镍基高温合金GH4169材料的磁化特性曲线,通过磁性分析,证明该材料的相对磁导率略大于空气的相对磁导率,为弱顺磁性物质。理论分析了微磁检测适用于涡轮盘试件的检测原理和缺陷处的磁异常特征,通过对预置人工槽缺陷的涡轮盘试块进行检测,验证了理论分析的正确性。检测结果表明,随着涡轮盘表面裂纹宽度和深度的增加,磁异常的宽度和峰值也相应增加,裂纹宽度相同时,深度越深,或者说深宽比越大,磁异常越明显,且裂纹产生的位置对定位精度存在一定的影响。该微磁检测方法为涡轮盘表面裂纹缺陷的有效检测提供了新的思路,能进一步推广应用于飞机发动机的其他部件,如转子叶片、涡轮轴等,以及飞机机身上具有相似磁学特性的材料的无损检测。     

先进涡轮盘结构强度对比分析

为减小航空发动机涡轮盘应力,减轻质量,提高发动机推重比,介绍了3种先进涡轮盘,即纤维增强涡轮盘、双辐板涡轮盘和整体涡轮叶盘的结构特点和工艺难点,提出其未来的研制设想;应用有限元分析软件对传统涡轮盘与3种先进涡轮盘进行了强度对比分析和质量计算.结果表明:3种先进涡轮盘在强度和质量方面较传统涡轮盘具有优势,突破相应的关键技术后,可应用于未来高推重比发动机中.     

基于表面缺陷特征的疲劳寿命预测方法

在含表面缺陷试样的疲劳数据的基础上,提出了表面缺陷对疲劳寿命影响的尺寸参数,将其引入Walker寿命方程,建立了可以考虑表面缺陷尺寸特征的疲劳寿命预测方程。将该方程的寿命预测结果同考虑应力梯度的寿命预测方法的计算结果进行对比,两者在±3倍以内,验证了方法是准确可靠的。进而,将该方程应用于粉末高温合金涡轮盘的疲劳寿命预测中,获得了不同尺寸的表面缺陷对涡轮盘寿命的影响规律,其工程意义在于:依据涡轮盘危险位置的应力特征,能够给出存在缺陷时的疲劳寿命,可作为使用过程中的重要参考数据,一旦出现漏检的表面缺陷,也能够保证涡轮盘的安全工作。      

含缺陷轮盘失效概率分析流程与数值模拟

传统的涡轮盘寿命预测方法未考虑材料初始缺陷,因而无法对带缺陷轮盘进行较准确的寿命预测。本文以加工制造过程中产生的不同缺陷分布特征为基础,重点针对加工导致的孔表面缺陷以及与材料固有的表面、亚表面及内部缺陷,开展航空发动机涡轮盘的失效概率分析。考虑了初始缺陷、应力、检测时间、检测水平等多种随机性对涡轮盘失效概率的影响,建立了含缺陷涡轮盘的失效概率分析流程。为提高计算效率,对轮盘固有缺陷的分析方法进行改进,对轮盘重新分区,并将表层细分为表面、亚表面、内部三部分分别进行计算。通过编写C++程序分析并验证了含缺陷轮盘失效概率分析方法的可行性,获得的结论具有工程应用参考价值。本文方法在满足一定精度的同时具有较高的计算效率,并对应力水平、检测时间的分散性和模拟次数等对失效概率的影响进行了讨论。     

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。     

涡轮盘材料电子束焊接性分析

从发动机修复的角度分析经过４００ｈ服役后的涡轮盘材料ＧＨ４１３３Ａ（Ｂ）的电子束焊接性,探讨了焊缝热影响区沿晶微裂纹的形态、产生原因及经过长期试车等试验后的变化。     

双辐板涡轮盘结构强度分析

对双辐板涡轮盘的结构特点和工艺难点进行了介绍,通过与传统涡轮盘进行对比阐述了双辐板结构的先进性,并应用有限元分析软件对传统涡轮盘和双辐板涡轮盘进行了强度分析。结果表明:双辐板涡轮盘在强度和质量方面具有优势,对双辐板涡轮盘未来的研制提出了设想。     

涡轮盘热弹塑问题的有限元解法

本文在增量——变刚度法的基础上,应用有限元素法,提出了一个求解航空发动机涡轮盘热弹塑性应力分析问题的方法和程序。用它可计算涡轮盘在弹性和弹塑性阶段的位移、应交和应力,以及涡轮盘的破裂转速和极限承载能力,还可以计算包含加载——卸载的过程,计算卸载后的残余变形和残余应力。大家知道,这对工程应用和结构的断裂力学分析尤其显得重要。值得指出,通过例题考核和某型航空发动机涡轮盘的实例计算,说明本文所用的方法在实践上是可行的,已为工程设计所采用。     

涡轮盘低循环疲劳可靠性设计方法

基于现有疲劳试验数据,建立了涡轮盘材料GH4133合金的循环应力-应变概率模型,并提出涡轮盘低循环疲劳可靠性设计方法。以有限元分析软件ANSYS为平台,利用APDL语言进行了涡轮盘3维参数化建模;通过灵敏度分析确定了涡轮盘结构概率分析中的主要影响参数;通过涡轮盘结构低循环疲劳可靠性分析和关键结构几何参数的反复修改,满足了涡轮盘的疲劳可靠性设计指标。该方法可为发动机其他关键结构的疲劳可靠性设计分析提供参考。     

低惯量涡轮转子结构设计与优化

论述了低惯量涡轮转子结构设计的特点和要求。在发动机载荷条件下,开展了带双辐板涡轮盘的低惯量涡轮转子结构设计研究。特别是针对双辐板涡轮盘结构及其连接结构的设计特点,进行了经验设计、结构拓扑优化和形状优化。对优化得到的两种双辐板涡轮盘结构形式进行了对比分析,并对焊接的双辐板涡轮盘结构的制造工艺进行了简要分析。结果表明,低惯量涡轮转子采用双辐板涡轮盘结构可行,能有效减轻涡轮盘质量,降低转子热惯性和机械惯性。     

螺栓连接预紧力对涡轮盘静力学特性影响的仿真分析

螺栓连接是涡轮组件中盘-盘连接的基本方式,影响着涡轮盘的静力学特性。采用有限元方法,对燃气轮机涡轮盘静力学特性进行分析。通过建立动力涡轮盘有限元模型,研究了有无螺栓连接时动力涡轮盘在不同工作状态下应力的大小和应力点的位置变化,获得了螺栓预紧力对动力涡轮盘应力分布的影响规律。结果表明,螺栓连接预紧力是影响涡轮盘静力学特性的一个主要因素,盘-盘连接设计时应合理选择预紧力,以避免影响涡轮盘静强度。     

某飞行科目中涡轮盘的损伤计算矢量喷管运动仿真

通过对某型航空发动机高压涡轮盘进行弹塑性有限元分析,计算涡轮盘在主次循环作用下的低循环疲劳寿命和寿命的概率分布,从而对涡轮盘在某飞行科目中的寿命损伤进行分析。对涡轮盘进行热分析;并对载荷谱进行分析处理,得出对涡轮盘损伤影响较大的主次循环和相应载荷谱;再对涡轮盘进行弹塑性分析,得到危险点处的应力、应变,计算涡轮盘确定性寿命和寿命的概率分布;利用线性损伤累积理论,得到涡轮盘在单次飞行和千小时飞行下的总损伤     

某型航空发动机低压涡轮盘的强度计算

根据某型航空发动机低压涡轮盘的实际结构进行有限元建模,并根据涡轮盘的载荷特点,采用循环对称基本理论对其1/64扇区的载荷进行了计算.对涡轮盘的离心负荷的热弹性应力进行了综合考察与分析,计算得出最大应力集中发生在涡轮盘中心孔处,对进行同类型的涡轮盘强度分析与寿命计算具有借鉴作用.     

涡轮盘低循环疲劳的概率设计

基于涡轮盘结构的低循环疲劳设计流程,将概率设计理念融入设计过程中,提出了涡轮盘低循环疲劳的概率设计流程。首先进行涡轮盘结构的优化分析,其中以确定性设计准则作为约束条件;以优化结构方案为基础,考虑参数的随机性,对涡轮盘低循环疲劳进行可靠性分析;以低循环疲劳寿命的可靠度为概率设计准则,对涡轮盘进行反复的设计和计算验证,通过修改结构尺寸完成涡轮盘低循环疲劳的概率设计。同时,根据灵敏度分析结果,讨论了设计变量的分散性对涡轮盘寿命的影响,为进一步提高结构的可靠性提供了新的研究思路。结果表明,按照概率设计观点确定的涡轮盘结构兼顾性能和可靠性,在满足可靠度的前提下降低涡轮盘的重量。同时该概率设计流程简单方便,易于工程的推广应用。     

高压涡轮盘加扭低循环疲劳寿命试验研究

在对某高压涡轮盘进行低循环疲劳试验时首次考虑了该涡轮盘在发动机实际工作中存在的扭矩。本文首先介绍了该高压涡轮盘加扭试验件的结构强度设计,扭矩加载装置的结构强度设计,以及试验前是如何对高压涡轮盘加扭试验件加载扭矩、试验后又是如何对高压涡轮盘加扭试验件卸去扭矩的：其次介绍了高压涡轮盘加扭试验件低循环疲劳试验的进行情况和裂纹检查结果：最后给出了该高压涡轮盘加扭试验件的试验寿命。     

高推质比双辐板涡轮盘结构研究及光弹试验验证

为了满足高推质比发动机的设计要求,采用渐进结构优化算法对传统涡轮盘进行了拓扑优化,确定了双辐板涡轮盘的结构形式.针对拓扑优化结果对双辐板涡轮盘进行了有限元分析和尺寸优化,使得同等应力水平下的双辐板涡轮盘比传统涡轮盘的质量降低了23.6%.通过三维旋转光弹试验验证了所提出的双辐板涡轮盘结构的合理性和相关计算的正确性.      

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.      

基于BOSS平台的热力耦合场涡轮盘优化设计

在考虑涡轮盘工作条件下受热及叶片和榫块离心力的基础上,利用ANSYS对某航空发动机高压涡轮盘轴对称模型进行了有限元分析,并利用BOSS优化平台对其进行了结构形状优化.结果表明,通过优化能减轻涡轮盘重量,降低涡轮盘的最大等效应力;设计结果能满足强度要求.