陶瓷基复合材料导热机理及其在气冷涡轮叶片热分析中的应用研究
发布时间：2021-02-12 21:47
以陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite,CMC材料）为代表的纤维增韧复合材料由于其耐高温、高强度、低密度特点,在航空发动机高温部件中逐步得到工程实际应用。本文针对几种典型的纤维增韧复合材料,分析了微观代表性单元特征和材料宏观热特性的对应关系,建立了不同类型复合材料等效导热系数的预估模型,阐明了导热系数各向异性特征在CMC材料涡轮叶片热分析中的引入方式,分析了各向异性材料典型构件的气膜冷却效果,探究了典型气膜冷却结构在CMC材料涡轮叶片中的应用模式和实施效果。研究中首先针对典型单向纤维增韧复合材料,应用蒙特卡洛模拟和概率统计分析,发展了基于RVE（Representative Volume Element,代表性体积单胞）的热分析方法,建立了包括等效导热系数、热流密度场和温度梯度场等不同物理信息的RVE最小尺寸多重判据,提高了典型纤维增韧复合材料热物性的预估精度,掌握了材料内部温度梯度和热流密度等热物理场的分散特性。研究结果表明,仅仅根据等效导热系数确定的RVE尺寸,将会在复合材料内部热流密度场和温度梯度场的预估中带来较大的误差。本文研究的单向长纤维增韧复合材...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：163 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各类材料耐温程度以及比强度特性示意图
陶瓷基复合材料导热机理及其在气冷涡轮叶片热分析中的应用研究是：(1)能够耐高温，减少冷却空气需求量，进而提高发动机的性能；(2)密度为 2.0～2.5g/cm3，仅是高温合金和铝合金的 1/4～1/3、钨合金的 1/10～1/9，可大大减轻结构质量；(3) 部件寿命长，降低维护费用。如在 1996 年，SNECMA 公司就在 M88-2 发动机的喷管外调节片上应用了 CMC 材料，使得发动机重量明显降低。到 2002 年，该发动机寿命目标已经得到验证，并开始投入生产。20 世纪 90 年代中期，SNECMA 公司与 PW 公司尝试将连续纤维增韧的 CMC 材料应用于F100 发动机喷管上， 并 开发了两种 CMC 材料的燃烧室火焰筒，分别命名为CERASEP(SiC/SiC) 和 SEPCARBINOXR(C/SiC),如图 1.2（a）所示。
)编织类材料内部结构理论模型图 (d) 编织类材料内部结构电镜照片图 1. 3 典型纤维增韧 CMC 材料内部结构示意图和电镜照片② 需要掌握考虑 CMC 材料导热系数各向异性及其空间分布的涡轮叶片热分析方法传统金属材料叶片热分析中各个方向导热系数都是相同的，并且作为定值代入能量方。但对于 CMC 材料来说，由于纤维本身导热系数的各向异性、纤维和基体的导热系数存的差异性，会导致材料整体的导热系数往往表现出各向异性，致使温度场等热物理场存在散性。因此对 CMC 材料涡轮叶片进行热分析时，传统基于定值的温度场计算方法往往不反映实际情况，可能会导致温度场计算存在较大的误差。事实上，对于现有航空发动机涡叶片而言，工作温度超过安全上限温度 10K 就可能会带来叶片烧蚀，超过 50K 则可能会材料力学性能降低 40%-50%，叶片将会出现裂纹、掉块、甚至断裂等严重后果。因此为了能够准确模拟和预估出气冷 CMC 涡轮叶片的温度场，热分析模型需要在充分征 CMC 材料内部复杂结构的基础上，获得导热系数的各向异性及其空间分布特征，并且在气冷叶片这样复杂结构中准确得到温度分布规律。③ 需要进一步完善基于 CMC 材料的涡轮叶片冷却结构设计方法目前应用于发动机高温部件的高效冷却技术包括气膜冷却、冲击冷却及复合冷却等，冷
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维全五向编织复合材料细观结构实验分析[J]. 刘振国,亚纪轩,林强,王一博,胡龙. 北京航空航天大学学报. 2016(02)
[2]复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计[J]. 孙杰,宋迎东,孙志刚. 固体力学学报. 2011(06)
[3]2.5维机织复合材料的几何结构模型与验证[J]. 曹海建,钱坤,盛东晓. 纺织学报. 2009(05)
[4]三维五向编织复合材料的力学性能分析Ⅰ:细观结构模型[J]. 李金超,张一帆,孙菲,陈利. 复合材料学报. 2009(01)
[5]三维五向编织复合材料单胞实体模型及参数化[J]. 李金超,陈利. 天津工业大学学报. 2008(05)
[6]三维五向编织复合材料导热性能的有限元分析[J]. 李典森,卢子兴,刘振国,李仲平. 航空动力学报. 2008(08)
[7]2.5维机织结构复合材料的几何模型[J]. 郑君,温卫东,崔海涛,高建辉. 复合材料学报. 2008(02)
[8]2.5维编织复合材料力学性能的有限元分析[J]. 董伟锋,肖军,李勇. 材料科学与工程学报. 2007(05)
[9]三维五向编织复合材料中纱线截面形状实验分析[J]. 陈利,徐正亚. 复合材料学报. 2007(04)
[10]Investigation on the Thermal Conductivity of 3-Dimensional and 4-Directional Braided Composites[J]. Liu Zhenguo, Zhang Haiguo, Lu Zixing, Li Diansen Institute of Solid Mechanics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing, 100083, China. Chinese Journal of Aeronautics. 2007(04)
博士论文
[1]三维五向编织复合材料全场力学响应特性及细观损伤分析[D]. 张典堂.天津工业大学 2016
[2]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
[3]PIP工艺制备Cf/SiC复合材料孔隙结构及其传热传质特性研究[D]. 李伟.国防科学技术大学 2008
[4]多孔复合材料周期结构的多尺度模型与高精度算法[D]. 刘晓奇.湖南师范大学 2006
[5]复合材料身管热学性能研究[D]. 陈龙淼.南京理工大学 2005
硕士论文
[1]陶瓷基涡轮叶片热分析模型研究[D]. 江华.南京航空航天大学 2016
[2]2.5维编织复合材料的强度研究[D]. 路怀玉.哈尔滨工业大学 2014
[3]碳/碳编织复合材料温度场有限元分析[D]. 赵宏丽.齐鲁工业大学 2012
[4]2.5维碳/碳化硅复合材料的热物理及力学性能[D]. 李宏.西北工业大学 2007
[5]三维五向编织复合材料细观结构及工艺分析[D]. 徐正亚.天津工业大学 2007
本文编号：3031471
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：163 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各类材料耐温程度以及比强度特性示意图
陶瓷基复合材料导热机理及其在气冷涡轮叶片热分析中的应用研究是：(1)能够耐高温，减少冷却空气需求量，进而提高发动机的性能；(2)密度为 2.0～2.5g/cm3，仅是高温合金和铝合金的 1/4～1/3、钨合金的 1/10～1/9，可大大减轻结构质量；(3) 部件寿命长，降低维护费用。如在 1996 年，SNECMA 公司就在 M88-2 发动机的喷管外调节片上应用了 CMC 材料，使得发动机重量明显降低。到 2002 年，该发动机寿命目标已经得到验证，并开始投入生产。20 世纪 90 年代中期，SNECMA 公司与 PW 公司尝试将连续纤维增韧的 CMC 材料应用于F100 发动机喷管上， 并 开发了两种 CMC 材料的燃烧室火焰筒，分别命名为CERASEP(SiC/SiC) 和 SEPCARBINOXR(C/SiC),如图 1.2（a）所示。
)编织类材料内部结构理论模型图 (d) 编织类材料内部结构电镜照片图 1. 3 典型纤维增韧 CMC 材料内部结构示意图和电镜照片② 需要掌握考虑 CMC 材料导热系数各向异性及其空间分布的涡轮叶片热分析方法传统金属材料叶片热分析中各个方向导热系数都是相同的，并且作为定值代入能量方。但对于 CMC 材料来说，由于纤维本身导热系数的各向异性、纤维和基体的导热系数存的差异性，会导致材料整体的导热系数往往表现出各向异性，致使温度场等热物理场存在散性。因此对 CMC 材料涡轮叶片进行热分析时，传统基于定值的温度场计算方法往往不反映实际情况，可能会导致温度场计算存在较大的误差。事实上，对于现有航空发动机涡叶片而言，工作温度超过安全上限温度 10K 就可能会带来叶片烧蚀，超过 50K 则可能会材料力学性能降低 40%-50%，叶片将会出现裂纹、掉块、甚至断裂等严重后果。因此为了能够准确模拟和预估出气冷 CMC 涡轮叶片的温度场，热分析模型需要在充分征 CMC 材料内部复杂结构的基础上，获得导热系数的各向异性及其空间分布特征，并且在气冷叶片这样复杂结构中准确得到温度分布规律。③ 需要进一步完善基于 CMC 材料的涡轮叶片冷却结构设计方法目前应用于发动机高温部件的高效冷却技术包括气膜冷却、冲击冷却及复合冷却等，冷
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维全五向编织复合材料细观结构实验分析[J]. 刘振国,亚纪轩,林强,王一博,胡龙. 北京航空航天大学学报. 2016(02)
[2]复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计[J]. 孙杰,宋迎东,孙志刚. 固体力学学报. 2011(06)
[3]2.5维机织复合材料的几何结构模型与验证[J]. 曹海建,钱坤,盛东晓. 纺织学报. 2009(05)
[4]三维五向编织复合材料的力学性能分析Ⅰ:细观结构模型[J]. 李金超,张一帆,孙菲,陈利. 复合材料学报. 2009(01)
[5]三维五向编织复合材料单胞实体模型及参数化[J]. 李金超,陈利. 天津工业大学学报. 2008(05)
[6]三维五向编织复合材料导热性能的有限元分析[J]. 李典森,卢子兴,刘振国,李仲平. 航空动力学报. 2008(08)
[7]2.5维机织结构复合材料的几何模型[J]. 郑君,温卫东,崔海涛,高建辉. 复合材料学报. 2008(02)
[8]2.5维编织复合材料力学性能的有限元分析[J]. 董伟锋,肖军,李勇. 材料科学与工程学报. 2007(05)
[9]三维五向编织复合材料中纱线截面形状实验分析[J]. 陈利,徐正亚. 复合材料学报. 2007(04)
[10]Investigation on the Thermal Conductivity of 3-Dimensional and 4-Directional Braided Composites[J]. Liu Zhenguo, Zhang Haiguo, Lu Zixing, Li Diansen Institute of Solid Mechanics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing, 100083, China. Chinese Journal of Aeronautics. 2007(04)
博士论文
[1]三维五向编织复合材料全场力学响应特性及细观损伤分析[D]. 张典堂.天津工业大学 2016
[2]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
[3]PIP工艺制备Cf/SiC复合材料孔隙结构及其传热传质特性研究[D]. 李伟.国防科学技术大学 2008
[4]多孔复合材料周期结构的多尺度模型与高精度算法[D]. 刘晓奇.湖南师范大学 2006
[5]复合材料身管热学性能研究[D]. 陈龙淼.南京理工大学 2005
硕士论文
[1]陶瓷基涡轮叶片热分析模型研究[D]. 江华.南京航空航天大学 2016
[2]2.5维编织复合材料的强度研究[D]. 路怀玉.哈尔滨工业大学 2014
[3]碳/碳编织复合材料温度场有限元分析[D]. 赵宏丽.齐鲁工业大学 2012
[4]2.5维碳/碳化硅复合材料的热物理及力学性能[D]. 李宏.西北工业大学 2007
[5]三维五向编织复合材料细观结构及工艺分析[D]. 徐正亚.天津工业大学 2007
本文编号：3031471
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