陶瓷基涡轮叶片热分析模型研究

发布时间：2017-11-22 05:15

  本文关键词：陶瓷基涡轮叶片热分析模型研究

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【摘要】：纤维增韧陶瓷基复合材料因其轻质、耐高温等特点,已经成为新一代高性能航空发动机高温部件最具竞争力备选材料。本文以陶瓷基涡轮叶片的热分析模型为研究对象,研究了基于微观结构图像识别的复合材料宏观等效导热系数(ETC)预估方法,建立了反映ETC各向异性和离散性特征的复合材料温度场计算方法,最终结合自开发的热分析程序完成了陶瓷基涡轮叶片热分析模型研究。研究中首先针对最基础的复合材料——单向长纤维增韧复合材料,研究了基于材料微观结构图像识别技术的ETC预估方法,并用该方法成功实现T300碳纤维单向增韧树脂复合材料的ETC预估,计算值和试验测试值的相对误差为10.1%,绝对误差仅为0.035W/(m?K)。在预估方法准确性得到试验验证基础上,进一步研究了增韧纤维同基体之间存在间隙缺陷时,间隙特征参数对复合材料ETC的影响规律。计算结果表明,单向复合材料宏观ETC随着间隙占比、厚度的增加均逐步降低。当间隙占比一定时,间隙位置的随机性对单向复合材料宏观ETC的影响很微弱。然后针对三维五向编织型复合材料,基于微观结构图像识别技术建立了代表性单胞模型,综合考虑纤维束编织走向和排列模式,实现对三维五向SiCf/SiC复合材料样本的ETC预估,预估结果与试验值相对误差仅为5.49%。随后利用该方法,详细讨论了三维五向编织型复合材料结构参数、组分导热特性、结构参数离散性对其ETC的影响规律。研究中发现材料内部编织角度一定时,纵向和横向ETC均随着纱线填充因子的增大而增大。纤维填充因子离散性对ETC分散度的影响大于内部编织角离散性的影响。在ETC各向异性和离散度特征研究的基础上,通过Matlab与Fortran联合编程,开发了适用于CMC涡轮叶片气冷方案热分析的软件平台,集成了复合材料ETC预估、叶片内/外换热系数加载、CMC涡轮叶片温度场计算、交互性冷却结构参数化设计等功能。利用本文建立的涡轮叶片热分析平台,研究了三维五向编织SiCf/SiC复合材料涡轮叶片原理模型试验件的温度分布规律。计算中发现,考虑材料内部编织角存在离散性后,叶片的潜在高温区域出现了向叶片内部拓展的现象,面积增加了13.6%。计算结果表明,材料ETC的空间分布决定着叶片高温区域分布位置,而高温区域的温度数值与ETC的各向异性程度密切相关。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V232.4

【参考文献】

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本文编号：1213593