小型涡扇发动机涡轮转子结构设计方法研究

发布时间：2017-06-22 18:14

  本文关键词：小型涡扇发动机涡轮转子结构设计方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于具有推重比大、耗油率低、结构紧凑等特点,中小型燃气涡轮发动机在航空、舰船、电力、能源和车辆等领域都得到了广泛应用,未来必将在我国国家安全和国民经济领域发挥重要作用,因此开展中小型涡扇发动机的研制不仅能获得明显的经济效益,更具有重要的战略意义。涡轮部件是小型涡扇发动机的核心部件之一,其性能优劣直接决定了整台发动机性能的好坏。更为特殊的,由于处于高温燃气的恶劣工作环境中,且高速旋转做功,涡轮转子件的结构设计一直是涡轮部件设计的重点和难点,因此建立一套行之有效的涡轮转子结构设计方法在中小型涡扇发动机的研制过程中显得极为重要。 基于上述分析,本文以某小型涡扇发动机结构设计为背景,重点研究了该发动机中涡轮转子件的结构设计方法。首先以结构方案设计为出发点,分析了国内外具有相似推力等级的涡扇发动机涡轮部件结构的成功设计案例,借鉴其结构设计方面的工程经验和先进的结构设计理念,提出了本文所研究小型涡扇发动机的涡轮转子结构设计方案,并针对该设计方案,就温度场预估方法、转子选材合理性等问题开展了相关讨论。基于该设计方案,进一步开展了转子叶片结构设计、榫连接结构设计和转子轮盘结构设计,建立了基于强度校核和参数优化的叶片设计流程和轮盘设计流程,并对设计流程中的几个重点问题开展了详细研究。主要包括：1)针对小型涡扇发动机涡轮转子件的结构特点,如转子叶片的复杂三维结构、榫头榫槽接触求解等,采用有限元数值模拟计算方法开展了特定结构、特定载荷下的强度计算方法研究；2)结合有限元数值模拟计算,开展了涡轮叶片的叶型冷热态变换方法研究；3)针对缘板后端封严要求,分析了国内现有挡气’边设计方法的不足并进行了优化改进：4)分析了枞树形榫头榫槽的齿形特征参数,开展了二维齿形优化设计,并研究了榫头拉削角和齿形加工偏差对榫头榫槽接触应力的影响；5)在低压涡轮结构设计中引入了T型盘结构,通过调整T型盘安装边的结构布置方案,实现了对低压涡轮转子系统刚度的调整,对解决热态工作环境中轮盘可靠连接、涡轮转子叶尖间隙控制及部件效率保证这三个难题有一定借鉴意义。文中取得的研究成果已应用在某在研小型涡扇发动机涡轮部件结构方案设计中,下一步将在耐久性等整机试验考核中验证设计方法的可靠性,并通过对实验数据的分析进一步加深对涡轮部件结构设计的认识。
【关键词】：小型涡扇发动机 涡轮转子 结构设计 强度校核 冷热态变换 榫头榫槽结构 T型盘连接
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V235.13
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 结构设计方法国内外发展现状11-14
• 1.2.1 拓扑结构技术的发展11-12
• 1.2.2 参数化设计技术在局部尺寸优化中的应用12
• 1.2.3 应力分析技术的发展12-13
• 1.2.4 寿命预测技术的发展13
• 1.2.5 强度校核准则的发展13-14
• 1.2.6 国内外发展状况对比14
• 1.3 本文的主要工作14-16
• 第二章 涡轮转子设计方案、温度场预估及材料选取16-27
• 2.1 引言16
• 2.2 原型机涡轮部件设计方案分析16-19
• 2.2.1 突扩式过渡段16-17
• 2.2.2 T型盘结构分析17
• 2.2.3 榫连接结构分析17-19
• 2.2.4 叶顶带冠结构分析19
• 2.3 所研究发动机涡轮部件设计方案19-23
• 2.3.1 涡轮部件气动设计结果19-20
• 2.3.2 涡轮部件结构设计方案20
• 2.3.3 高低压转子叶片结构设计20-21
• 2.3.4 高低压涡轮盘结构设计21-23
• 2.4 温度场预估及材料的初步选取23-26
• 2.4.1 高低压涡轮转子温度场预估23-25
• 2.4.2 高低压涡轮转子选材方案25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 高压涡轮转子叶片设计方法27-41
• 3.1 叶片应力计算方法及强度校核准则27-30
• 3.1.1 叶片有限元模型建立27-28
• 3.1.2 叶片材料数据28-29
• 3.1.3 计算载荷与边界条件29-30
• 3.2 转子叶片设计方法综述30-32
• 3.3 叶型冷热态变换32-34
• 3.4 转子叶片缘板设计34-40
• 3.4.1 缘板上表面型线及缘板两侧边冷热态变换34-36
• 3.4.2 缘板倾斜角设计36-37
• 3.4.3 缘板形状参数化设计37
• 3.4.4 缘板后挡气边封严设计37-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 榫头榫槽结构设计方法41-55
• 4.1 榫头榫槽结构设计综述41
• 4.2 榫头榫槽接触应力计算41-44
• 4.3 齿形设计与优化44-48
• 4.4 榫头拉削角设计48-50
• 4.5 榫头榫槽接触面间隙控制50-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 高低压涡轮盘结构设计方法55-72
• 5.1 涡轮盘应力分析方法及强度校核准则55-58
• 5.1.1 轮盘有限元模型建立55-56
• 5.1.2 计算载荷与边界条件56-58
• 5.2 高压涡轮盘结构设计58-63
• 5.3 低压涡轮盘结构设计63-71
• 5.3.1 T型盘与两级低压涡轮盘结构设计63-64
• 5.3.2 T型盘与两级低压涡轮盘间连接匹配64-71
• 5.4 本章小结71-72
• 第六章 结论与展望72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 主要创新点73
• 6.3 展望73-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文和成果77-78
• 致谢78-79
• 作者简历79

【参考文献】

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