航空发动机涡轮叶片疲劳可靠性分析

发布时间：2020-05-11 08:24

【摘要】：航空事业的飞速发展使得对于航空发动机及其主要构件涡轮叶片提出更高的要求。航空发动机是飞行器的心脏,其寿命和可靠性能否得到保证贯穿飞行器整个寿命周期,涡轮叶片作为主要的动力输出部件,为使其在高温、高压、高速气流下的强度及疲劳寿命得到保证,对涡轮叶片的疲劳损伤的预测及疲劳寿命的计算是问题的关键。由于其复杂的工作环境导致其载荷与材料都具有一定的不确定性,为更准确的评估涡轮叶片的疲劳寿命,开展涡轮叶片疲劳可靠性的计算是目前保障航空发动机系统可靠性的重要技术手段。本文基于涡轮叶片长期处于高温工作环境中的实际情况,建立内部带有冷却通道设计的涡轮叶片结构模型。并在此基础上,进行涡轮叶片强度分析和疲劳寿命计算,考虑载荷的随机性,开展航空发动机涡轮叶片的疲劳可靠性研究。(1)以某型涡轮叶片为工程背景,建立涡轮叶片的有限元模型以及内外流场域。模拟了涡轮叶片的真实工作环境,进行流场的分析计算,将流场分析结果作为输入,进行叶片流-热-固的单向耦合计算,给出涡轮叶片工作时的温度分布云图以及压力分布云图,分析了涡轮叶片工作过程中的最大应力和最大变形。(2)根据航空发动机的工作特性,考虑多种工作循环状态下,开展离心载荷、温度载荷和气动载荷共同作用时涡轮叶片的疲劳分析,得到不同工况下涡轮叶片的疲劳寿命以及疲劳损伤值。根据Miner线性理论,计算出涡轮叶片总损伤,并估算涡轮叶片的疲劳寿命。(3)以转速、燃气温度和冷却液温度作为随机输入变量,以有限元计算出叶片的损伤值作为输出响应,采用响应面法建立涡轮叶片结构疲劳损伤的响应面方程。结合改进一次二阶矩法计算涡轮叶片的失效概率。利用蒙特卡罗法对分析结果进行了验证,并讨论了随机变量的多种变异性对涡轮叶片的疲劳可靠性的影响。
【图文】：

( )2*21L inXZ Xiig xXσ σ= = (从而有结构的可靠指标表达式为：LLZZμβσ= (循环迭代过程图示如下图 2.3，，点B 为初始验算点即均值点，通常不满态方程 ( ) 0Xg x = ，以点 B 为初始点按步骤（6）进行循环迭代，至 β 值值达到允许误差范围内。

图 3.1 叶片结构模型俯视图图 3.2 叶片榫头底部叶片工作时产生大量的热量，且由于厚度不均匀热量分布也不均匀，若很好的处理，热量积聚将是导致叶片疲劳失效的重要因素，本文为了使叶更好的冷却效果，首先叶身部分采用空心设计、等壁厚处理以减小由于叶不均产生的热应力，同时对叶片采取冷却处理，但是实际加工中很难保证
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V231.95

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王润楠;许庆彦;柳百成;;计算机模拟技术在航空发动机涡轮叶片制造中的应用[J];自然杂志;2017年02期

2 王永莉;王洪钢;;发动机涡轮叶片用高温合金的杂晶组织分析[J];铸造技术;2017年06期

3 梁国炜;空心冷却涡轮叶片的寿命预测[J];航空动力学报;1988年04期

4 夏明仁;涡轮叶片真空熔模铸造技术[J];铸造;1988年10期

5 A.Kaufman;谢建玲;;航天飞机主发动机涡轮叶片的简化循环结构分析[J];国外导弹与航天运载器;1988年08期

6 山本幸南,马仙;提高涡轮叶片耐热性的研究[J];车用发动机;1989年04期

7 邓化愚 ,刘存禄 ,罗明俊 ,刘玉芳 ,彭庆明 ,盛荣昌 ,高玉华 ,胡志清 ,王华阁 ,李星恒 ,邹学岩;高负荷跨音速复合气冷涡轮叶片的设计与计算[J];航空动力学报;1989年04期

8 刘存禄 ,罗明俊 ,邓化愚 ,刘玉芳 ,王华阁 ,盛荣昌;高负荷跨音速复合气冷涡轮叶片的试验研究[J];航空动力学报;1989年04期

9 何浩宇;一种简化的祸轮叶片热处理工艺[J];航空工艺技术;1989年01期

10 何浩宇;锻造镍基合金涡轮叶片晶粒度的控制[J];航空工艺技术;1989年06期

相关会议论文 前10条

1 周海琴;李佳;;航空发动机涡轮叶片蠕变寿命方法研究[A];第八届中国功能材料及其应用学术会议摘要[C];2013年

2 张强;王祯;;基于融合策略的航空发动机涡轮叶片测量评估方法[A];2015航空试验测试技术学术交流会论文集[C];2015年

3 甄博;康宁;侯贵仓;;涡轮叶片高低周复合疲劳寿命试验研究[A];中国航空学会第七届动力年会论文摘要集[C];2010年

4 熊勇;陈昌达;李巍;郑之梅;但丽玲;张江峰;;涡轮叶片裂纹分析[A];中国航空学会第七届动力年会论文摘要集[C];2010年

5 陈勇;庞新;田华;;某型发动机Ⅰ级涡轮叶片叶身纵向沿晶裂纹分析[A];中国航空学会第七届动力年会论文摘要集[C];2010年

6 史治宇;王鑫伟;严俊;;动力涡轮叶片的静动特性分析[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2001年

7 黄太平;;涡轮叶片细微冷却通道周边区域应力分析[A];福建省科协第三届学术年会装备制造业专题学术年会论文集[C];2003年

8 关胜如;杜永恩;王洪光;余海生;邵伏永;;某发动机涡轮叶片裂纹产生原因分析[A];中国航天第三专业信息网第三十八届技术交流会暨第二届空天动力联合会议论文集——结构、强度和可靠性技术[C];2017年

9 曹智顺;王洪斌;张联合;葛宏志;;气体温度对涡轮叶片流量特性影响的研究[A];探索 创新 交流（第7集）——第七届中国航空学会青年科技论坛文集（上册）[C];2016年

10 郑佳;张定华;黄魁东;杨富强;;一种基于知识模板的空心涡轮叶片缺陷识别方法[A];2014年全国射线数字成像与CT新技术研讨会论文集[C];2014年

相关重要报纸文章 前10条

1 记者 顾钢;西门子3D打印出燃气涡轮叶片[N];科技日报;2017年

2 刘亚威;破解涡轮叶片高效生产的“本质”[N];中国航空报;2017年

3 中国航发航材院 赵云松;每一个叶片里，都藏着一个宇宙[N];中国航空报;2018年

4 记者 严峻　通讯员 秦人骥 陈联富;无锡透平承担大叶片研发项目[N];中国工业报;2009年

5 金利;涡轮叶片精铸模具型腔反变形优化设计技术[N];科技日报;2007年

6 尹爱东;黎明公司技术中心攻克技术难关[N];中国航空报;2003年

7 记者 范力;国家级航空发动机涡轮叶片生产示范线落地贵安[N];贵州日报;2018年

8 刘建华;攻城不怕坚 只要肯登攀[N];中国航空报;2006年

9 讲述人 科学家 两院院士 师昌绪 本报记者 张蕾 采访整理;献身科学 让祖国强大起来[N];光明日报;2013年

10 本报资深记者 王林;全球首支聚氨酯风机涡轮叶片诞生[N];中国能源报;2016年

相关博士学位论文 前10条

1 刘奇星;热障涂层涡轮叶片失效的有限元模拟[D];湘潭大学;2012年

2 梁向锋;镍基单晶空心涡轮叶片的凝固行为、微观结构与性能研究[D];江苏大学;2017年

3 董平;航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

4 裘云;带肋壁与气膜孔出流通道的流动特性研究[D];西北工业大学;2003年

5 罗磊;涡轮高效冷却结构设计方法及换热机理研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

6 梁俊宇;涡轮叶片气膜冷却孔绕流的实验与数值模拟研究[D];华北电力大学;2012年

7 成克用;含化学热沉的气膜冷却流动与换热研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2013年

8 马超;涡轮叶片蒸汽/空气冷却特性的实验研究及数值模拟[D];上海交通大学;2015年

9 骆剑霞;涡轮叶片内冷结构对外部气膜冷却特性的影响研究[D];西北工业大学;2015年

10 程玉强;可重复使用液体火箭发动机关键部件损伤动力学与减损控制方法研究[D];国防科学技术大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 孟宪文;涡轮叶片温度场重构及温度分布特征研究[D];哈尔滨工程大学;2019年

2 赵爽;航空发动机涡轮叶片疲劳可靠性分析[D];哈尔滨工程大学;2019年

3 高均超;涡轮叶片表面温度传感器原位集成制造及其性能表征[D];上海交通大学;2017年

4 李忠远;涡轮叶片的精准建模及数控加工[D];天津工业大学;2019年

5 安澜;镍基合金涡轮叶片复合冷却结构多场耦合仿真[D];哈尔滨工业大学;2018年

6 王伟政;航发高压涡轮叶片低周疲劳/蠕变寿命研究[D];大连理工大学;2018年

7 王斌;上游尾迹对低压涡轮叶片的气动性能影响[D];大连理工大学;2018年

8 岳孟赫;复合冷却涡轮叶片结构化网格参数化方法研究[D];南京航空航天大学;2018年

9 宋瑞瑞;铸造涡轮叶片视觉检测装置误差分析与参数优化[D];华中科技大学;2017年

10 费孝顺;镍基单晶空心涡轮叶片定向凝固工艺控制及组织优化[D];江苏大学;2018年

本文编号：2658175