航空发动机叶片气膜孔测量技术研究

基于航空发动机叶片冷却气膜孔的设计、加工和国家＂十一五＂计量科研项目的技术攻关及检测试验研究,本文简要介绍了叶片气膜孔位置度检测技术的思路、途径和方法,力求解决叶片气膜孔加工中的量值传递或溯源的难题,使我国在叶片等空间曲面小孔测量领域实现重大突破。     

整流支板和火焰稳定器的一体化设计加力燃烧室 性能的数值模拟

针对高推重比、高隐身航空发动机的技术需求,提出了1种带气膜冷却的加力内锥、整流支板和火焰稳定器的加力燃烧室一体化设计方法,对一体化加力燃烧室的温升、壁温分布、总压恢复系数、CO排放和燃烧效率分别进行了计算。结果表明：该方法在保证加力燃烧室燃烧性能不变的前提下,能将现有的加力燃烧室长度缩短1／5,并使加力内锥壁温降低33．3茗。为实现高推重比、高隐身动力技术提供了新的思路和研究方向。     

马蹄形等离子体激励器强化气膜冷却效率机理

为揭示马蹄形等离子体激励器产生的等离子体气动激励提高气膜冷却效率的机理,选取常规圆形气膜孔冷却结构进行了数值模拟比较.结果表明:马蹄形等离子体激励器产生的等离子体气动激励效果可以使射流具有展向扩张能力,肾形涡对的大小及强度得到显著改变,同时受等离子体气动激励产生的下拉诱导和水平加速效果影响,射流贴壁性及覆盖区域大大提高,冷却效率得到强化;相对于圆形气膜孔冷却效果,马蹄形介质阻挡放电气膜冷却结构在吹风比为0.5,1.0和1.5时,冷却效率值相差最大处分别提高了165%,148%和500%.      

涡轮叶栅超声速流场流动特征与气膜冷却特性

应用shear strain transport(SST) k-ω 两方程湍流模型,对超声速涡轮叶栅通道内气膜冷却特性进行数值研究,得到不同气膜孔倾角和吹风比下叶栅通道内流场流动特征以及气膜冷却效率的变化规律.在激波入射点附近的气膜射流能够向分离区边界层中补充动量,克服逆压力梯度,有效改善由于激波引起的局部过热.亚声速流动状态下的气膜入射角度对冷却效率的影响能够在较大吹风比下得以体现,而超声速主流状态下,气膜冷却效率与入射角度基本无关,说明亚声速的气膜冷却射流对超声速主流的穿透力要弱于对亚声速主流的穿透力;超声速主流条件下,在激波入射位置的气膜冷却效率要高于激波入射位置下游的气膜冷却效率,这与气膜孔出流在当地的湍流度有关.      

带气膜阻尼环的转子系统动力特性试验

提出一种具有金属橡胶弹性外环的气膜阻尼环(AFD)作为转子系统的辅助支承阻尼元件.建立AFD的力学模型,解释其工作机理.建立带AFD转子系统的试验台和测控系统,对比无AFD转子系统的动力特性,验证AFD的辅助支承阻尼性能.通过对AFD振动位移和相位的测量,说明气膜环在转子运转过程中的跟踪振动响应过程.通过对比气膜环和转子轴颈在转子系统运转过程中的相位差,验证AFD的工作机理和阻尼减振性能.最后研究初始气膜间隙对AFD性能的影响.研究结果表明:由于AFD具有可动金属橡胶环,气膜环能够跟随转子轴颈的振动量,自动调整偏心振动量和相位,具有自适应特性.在金属橡胶和气膜的刚度和阻尼作用下,AFD作为转子系统的辅助支承阻尼元件,为转子系统提供附加支承刚度和有效阻尼,起到限幅减振的作用.而初始气膜间隙越小,辅助支承阻尼作用的效果越明显.      

涡轮叶片冷却气膜孔及涂层缺陷检测技术研究进展

为满足现代燃气涡轮发动机长寿命、高可靠性的需求,高性能涡轮叶片呈现出气膜冷却结构和热障涂层热防护一体化设计与制造的发展趋势。然而气膜孔制备过程产生的显微组织缺陷和涂层涂覆过程导致的尺寸偏差会影响气膜结构及其冷却效率,先涂层后飞秒激光制孔也会引起涂层局部烧结甚至开裂。叶片服役过程中,受到温度梯度和边缘效应的影响,孔边涂层更易产生应力集中进而导致裂纹的萌生扩展,成为失效的薄弱环节。目前,包括塞规法、流量法和微小探针法等传统测量手段均无法有效评估气膜孔尺寸参数、形状特征和加工缺陷。在各类用于叶片及其涂层质量评价的无损检测方法中,主动红外热成像法具有快捷、多功能和有效质量控制等优势。基于上述研究背景,本文综述了快速、高精度的气膜孔参数测量和孔边合金及涂层缺陷的评估方法,论述了燃气涡轮发动机涡轮叶片常见气冷结构及其制备工艺的发展,详细列举了主动式红外热成像技术用于气膜孔质量评价的研究进展,同时总结了现有技术的不足和发展方向,对提升涡轮叶片冷却结构和气膜孔加工质量控制水平具有重要意义。     

气膜孔图像对焦评价函数的实验研究

为了使工业影像测头能够正确对焦于气膜孔的出口表面,开展了对焦评价函数选取的实验研究。首先,分析了各类对焦评价函数的特性、要求及优缺点,并确定选择灰度梯度函数用于图像序列的清晰度评价;然后,考察了Brenner梯度函数、Tenengrad梯度函数和Laplacian梯度函数等5种具有代表性的灰度梯度函数,通过实验获得了它们的函数曲线,并进行归一化处理和比较分析,最终确定Laplacian梯度函数作为系统的对焦评价函数,并进行了重复性验证。实验结果表明,Laplacian梯度函数可以正确判别出被测气膜孔的对焦位置,且对焦重复性小于0.005mm,满足气膜孔形位参数的检测要求。     

热障涂层水助激光扫描加工试验

为了提升涡轮发动机的整体性能和可靠性,需要在带热障涂层(TBC)的单晶高温合金涡轮叶片上制备大量气膜冷却孔,激光加工是实现“先涂层后打孔”的优势加工手段。采用水助激光扫描加工方法,通过正交试验和单因素试验研究了各因素对TBC损伤程度和TBC材料去除率的影响关系,试验结果表明对涂层剥落损伤的影响程度由大到小依次为光斑重叠率、激光重复频率、激光器电流和水泵电压,当光斑重叠率为98%、激光重复频率为50 kHz、激光器电流为38 A、水泵电压为14 V时,可以避免TBC水助激光加工出现剥落损伤;对TBC材料去除率的影响程度由大到小依次为激光器电流、激光重复频率、水泵电压和光斑重叠率,当优选激光器电流为38 A、激光重复频率为15 kHz、水泵电压为14 V、光斑重叠率为80%时,TBC材料去除效率最高。分析了TBC水助激光加工涂层剥落损伤的形成原因是热应力和等离子体力学冲击共同作用的结果,同时水助激光加工产生的气泡空蚀会导致加工区域周边涂层颜色变白,影响范围约为59.5μm,空蚀去除厚度约2.7μm。以上研究为带热障涂层单晶高温合金涡轮叶片气膜孔水助激光高效低损伤加工提供了技术支撑。     

弯曲壁上开孔倾角对气膜孔流量系数的影响

对弯曲壁上的多孔气膜冷却方式的流量系数进行了实验研究, 目的是确定在一定曲率的弯曲壁上不同开孔倾角冷却孔的平均流量系数随压力参数的变化规律, 并从流动损失方面进行深入分析.研究结果表明, 对于几何参数一定的多孔冷却方式, 影响其流量系数的气动因素用压力参数来表示是合理的, 但对于不同的开孔倾角, 压力参数对流量系数的影响效果有很大差别.      

基于红外热成像的涡轮叶片气膜孔孔径测量方法及缩孔规律

气膜冷却结构是燃气涡轮发动机高压涡轮叶片的三大关键设计制造技术之一,其质量控制对保证涡轮叶片的气冷效果、使役性能和结构可靠性具有重要意义。基于红外热成像无损检测的基本原理搭建了一套多自由度叶片气膜孔检测平台,提出了一种以脉冲热/冷空气为激励源、热像仪为信号采集设备和图像处理技术为实现途径的孔径测量方法,同时考虑气膜孔轴线特征和叶身型面曲率因素,设置正弦和动态余弦修正因子优化了以霍夫圆检测函数为核心的孔径测量算法,得到了与标准塞规测量结果平均差值小于4.40%的高精度孔径并总结了涂覆热障涂层后的缩孔规律。结果表明涂覆粘结层对气膜孔孔径的影响不大,相对原始孔径的平均缩孔率小于4.0%,涂覆陶瓷层后的平均缩孔率为16.2%。