Fatigue Reliability of Blade Root of Turbocharger Turbine for Vehicle Application

The blade root fatigue is one of important failure modes of turbocharger turbine for vehicle application,and the reliability and life of turbine with blade root fatigue failure mode are studied.Firstly,the stress characteristics of turbine are analyzed,and based on the operating profile of turbocharger corresponding to the endurance test of engine,the stress spectrum of turbine with blade root fatigue failure mode is studied with the simulation method.Then,with the number of endurance test profile cycle as the life parameter,the reliability model and failure rate model of turbine with blade root fatigue failure mode are derived respectively. Finally,the rules that the reliability and failure rate of turbine with the blade root fatigue failure mode changes as life parameters are studied,and the life probabilistic characteristics of turbine are also studied.

在役燃机压气机叶根相控阵超声检测技术

为解决在役燃机压气机叶根裂纹缺陷检测难题,以9E型压气机叶根为例,采用CIVA软件建模分析了叶根相控阵超声检测特点和可行性,针对特定自聚焦线阵探头确定了叶根检测工艺参数,并在带有自然裂纹缺陷和人工刻槽缺陷的专用对比试块上进行了验证。经仿真和试验室验证发现,高度4mm以上的裂纹缺陷具有较好的检出率。在技术推广过程中发现一起在役机组压气机叶根裂纹缺陷,拆解后进行了磁粉探伤验证。经过数值仿真、试验室验证和工程应用,验证了相控阵超声检测技术可以满足在役压气机叶根缺陷检测需求。

一种新型罗茨真空泵转子型线研究与应用

提出了一种罗茨真空泵三叶直线圆弧型转子型线设计方法,给出了型线方程和针对ZJ-5000型罗茨真空泵转子型线的主要结构参数;对新型罗茨真空泵进行有限元分析,研究了其在不同进气压力下的抽气速率;基于该转子型线进行了实际产品生产,并与双叶转子罗茨泵的抽速和其他性能指标进行了对比。结果表明:新设计的三叶直线圆弧型转子型线具有容积效率高、曲线光滑过度、加工方便、定位准确、工作噪声低的特点,相对于两叶转子,其强度增强,能够承受更大的压差载荷,与传统三叶转子相比抽气效率得到了提高。

某40 MW汽轮机组末级长扭叶片枞树型叶根设计

介绍了某40 MW汽轮机组末级长扭叶片的两种枞树型叶根结构,比较了两种叶根结构采用传统算法时的应力情况,评估了枞树型叶根优化的可行性,并建立了长扭叶片的有限元分析模型。通过对长扭叶片与轮槽进行有限元计算,分析了汽轮机末级长扭叶片枞树型叶根过渡段轴向长度及轮缘处叶根轴向斜角在不同取值时叶根的最大等效应力,确定了枞树型叶根的几何参数,同时为保证叶片和机组的安全可靠性,建立了长扭叶片的模态分析模型,分别计算了叶片在4 900 r/min和5 000 r/min时的前3阶的固有频率,确定其动频振动特性,避免共振的发生,最终达到了优化汽轮机组末级长扭叶片枞树型叶根结构的目的。同时建立的长扭叶片有限元分析模型为今后同类叶片设计问题提供了理论支持和解决方案。

螺旋槽式枞树型叶根铣刀的毛坯预制工艺研究

枞树型叶根铣刀是加工汽轮机叶片叶根的重要工具,相比传统的直槽铣刀具,螺旋槽式枞树型叶根铣刀具有切削快、效率高、寿命长等优点,能减少刀具切削力和振动,提高枞树型叶根表面的加工质量。本文重点研究了螺旋槽式枞树型叶根铣刀的毛坯预制工艺,将NUMROTOPLUS、PRO/E、VERICUT三种软件结合创建刀具三维模型并预制成品毛坯,运用ANSYS软件对模型进行仿真,验证刀具芯厚、前角等参数的合理性;使用NUMROTO软件对刀具进行精加工路径规划与仿真模拟验证;采用SAACKE UWIF五轴工具磨床完成刀具的精加工,并对刀具进行检测,结果显示该工艺方案切实可行。

镶片式叶根精铣刀结构设计及制造工艺分析

针对传统整体式叶根精铣刀加工成本高、效率低的问题,提出一种镶片式结构的叶根精铣刀设计。根据某叶根型线对镶片式叶根精铣刀进行结构设计,利用ANSYS软件进行刀具的静态受力分析,得出成型后角对刀具结构的影响关系并进行结构优化;利用NUMROTO plus软件编制刀具精加工工艺流程及编程处理;采用SAACKE UWIF五轴刀具磨床进行加工实验验证。试验件经检测,满足刀具设计的精度要求,验证了该结构刀具的可行性,通过对比实验,验证了该刀具可以降低生产成本。

反动式工业汽轮机超高转速大流量低压级组优化

杭汽轮引进的西门子反动式工业汽轮机低压扭叶级组在转速和热力性能方面已经无法满足现有市场的需求。针对上述问题,采用优化算法对该系列叶型进行优化,同时,引入了斜T型叶根和枞树型叶根,改进了T型末叶根骑缝螺杆锁紧结构,提高了叶片和转子的材料等级,此外,还通过分析已运行的同类型低压级组的运行数据,推算出优化后级组的最大许用质量流量。综上,优化后的级组子午面尺寸未发生改变,总总效率较优化前最高提高了2.5%,最高连续转速提高了20%,且通流能力保持不变。

关于切槽加工出现表面质量的问题研究

切槽刀片在机械工业切削加工中扮演着重要角色,然而,其加工后表面质量不理想的问题一直是制约生产效率的关键因素。通过对切槽刀刀刃形状对切削过程中表面质量不理想问题进行深入分析,并提出解决方案,定位问题根源,系统地探究了改善切槽刀片加工表面质量的技术途径。通过翔实的实验设计、数据采集与分析,验证了解决方案的可行性,为优化切槽刀片加工工艺提供了实质性的技术支持。

基于NX的转子T型叶根槽加工程序平台开发

目前的工艺技术下,转子T型叶根槽车削工艺较为复杂。利用NX二次开发技术,研究了T型叶根槽的模块化编程方法,开发了叶根槽加工程序平台。根据基于拓扑学的曲线编码规则,对叶根槽结构进行了曲线编码,实现了T型叶根槽结构的自动识别。按工步自动导入定制化的加工模板后,批量生成了车削刀轨。通过工步顺序对车削刀轨进行排序,最终实现了叶根槽加工程序的自动生成。该平台可以减少复杂的人工重复操作,提升数控程序编制效率。研究成果可为类似典型结构专用程序的开发提供参考。

基于Stacking预测模型的变桨功率优化策略研究

通过对如何提高风力发电机组的安全运行稳定性和发电量的深入研究,提出了一种基于Stacking预测模型的变桨功率优化算法,既可提高风电机组的发电功率,又减小叶根挥舞弯矩,降低对叶片、风轮、低速轴等部件的损害,提高其运行稳定性。以某一日风电机组功率为例开展变桨功率优化结果表明,发电量提高了2.18%,且3个叶片叶根挥舞弯矩也明显降低。该方法可用于风电场的功率优化和变桨控制。

不同强度湍流风对风力机气动载荷的影响

湍流强度是影响风力机载荷的重要因素之一。基于OpenFAST软件对NREL-5MW风力机进行了不同强度湍流风为入流条件下的数值计算,利用Turbsim软件生成的5%、10%、15%和20%这4种湍流强度的湍流风作为入流条件,探究了不同湍流强度对风力机叶根处的剪切力和弯矩的影响,并分析了不同湍流强度下风力机叶片整体的载荷分布情况。结果表明:随着湍流强度的增加,风力机的气动载荷和气动功率波动幅值相应出现规律性的增加,但大体变化趋势不变。10%、15%和20%湍流强度下的气动功率标准差比5%湍流强度下的分别高出87%、163%和243%,摆振弯矩标准差比5%湍流强度下的分别高出30%、64%和95%;叶片上的弯矩载荷从叶根向叶尖方向逐渐减小,且随着湍流强度的增加,叶片上的弯矩标准差值也随之增加,在叶根处差别最大,从叶根向叶尖方向逐渐减小,到叶尖处完全重合。且10%、15%和20%湍流强度下的叶根处第一个节点位置的挥舞弯矩比5%湍流强度下的摆振弯矩分别高出44.94%、93.1%和137%。湍流强度的增加对叶片的摆振弯矩影响最大。

叶根圆弧对航空燃油离心泵空化性能的影响

针对某航空燃油离心泵在运行过程中由于空化导致叶片根部发生空蚀破坏的问题,设计了一种叶根圆弧结构形式,研究了其在不同空化数下的空泡分布特性和空泡的非定常变化规律,并分析了燃油泵叶轮流道和隔舌位置的压力脉动特性。研究表明:在0.8Q_(d),1.0Q_(d),1.2Q_(d)流量工况下,燃油泵临界空化数分别比原方案减小了4.4%,6.0%,1.8%;在相同空化数下,改进方案叶片表面压力载荷有所下降,其中在1.2Q_(d)流量工况下,低压区占比最多下降7%;改进方案叶片根部空泡体积也有所减小,在1.2Q_(d)流量工况下,空泡减少量最多可达51%;燃油泵内部多数监测点的压力脉动幅值下降较大,最高可达38.35%。研究结果显示了叶根圆弧结构可以显著提升燃油泵的空化性能,为高性能燃油泵的优化设计提供了一定的借鉴。

基于Informer的风电机组叶根载荷预测

为了保障风电机组的安全经济运行,需要对风机关键部位的实时载荷进行监测和预测。因此,提出了一种基于Informer模型的风机叶根实时载荷预测方法。首先使用OpenFAST软件对风机进行仿真计算,然后利用仿真数据搭建Informer预测模型对风机叶根实时载荷进行预测,最后给出了模型预测数据与实际数据的曲线并对预测结果进行了评估,证明了该方法的可行性。通过与LSTM和GRU两种常规模型的预测结果进行对比,证明了Informer模型有更优的预测性能。

基于气弹试验15MW超长柔性叶片颤振临界风速预测的叶根反力法

颤振是风力机叶片超大化发展必须解决的首要难题,气弹模型测振风洞试验是其最有效的预测方法之一,但传统方法无法精确解决模型相似比和测量精度的难题。本文提出一种基于主梁刚度等效原则的超长柔性叶片气动/刚度映射一体化三维完全气弹模型设计方法,采用高速摄像技术和高频六分量天平进行全风向角同步测振和测力风洞试验;系统研究了NREL‑15 MW超长柔性叶片的非线性动态响应频谱特性,对比分析了基于叶尖位移与叶根反力的风力机叶片颤振性能和临界失稳状态,发现了采用叶根反力来预测颤振性能的可行性,提出了超长柔性叶片颤振失稳预测的叶根反力法。研究表明:本文提出的气弹模型设计和实验方法能精确有效地模拟风力机叶片动力性能与颤振行为,试验发现超长柔性叶片在桨距角为93°~96°和284°~287°区间内发生颤振,颤振区间内颤振临界风速随桨距角的增大呈现先减小后增大的趋势,在桨距角为94°时达到最小,其风洞临界风速为5.4 m/s;叶根反力与叶尖位移存在一致发散性和强相关性,提出的叶根反力颤振指标δ≥2%时,风力机叶片进入颤振临界状态。

高效低载的三维风力机叶片外形优化设计方法

常规风力机叶片的优化设计都是从二维翼型开始的,且翼型总是以升阻比最大为优化目标。然而,二维翼型的升阻比最大和三维叶片的高风能利用率与低气动载荷有本质的不同,采用以往的叶片优化方法常常会在提高风能利用率的同时,使叶片所受的气动载荷也提高。针对这一问题,提出基于多岛遗传算法和动量叶素理论,在给定风况条件下,以加权风能利用率最高与气动载荷最小为目标函数,以叶片各个截面的翼型型线及扭角作为设计变量,对三维叶片开展多目标优化方法设计研究。并对某实际NREL Phase VI叶片进行优化设计,结果表明:在给定风况下相比原叶片,优化叶片在风能利用率提升了3.06%的基础上,叶根弯矩降低了11.68%。在变转速与变风况下,优化叶片的气动效率整体提升,叶根弯矩明显降低。

旋转双流程叶根弯道流动传热特性数值模拟

旋转带来的叶片内部动-热负荷不均衡性会严重影响透平机械的安全与稳定。为研究旋转数和浮力系数对涡轮动叶片内部通道流动传热特性的影响,应用CFD仿真计算方法,分别以光滑和带肋的叶根弯道为对象,在旋转数分别为0、0.15、0.2、0.25、0.3和浮力系数分别为0、0.3、0.4、0.5、0.6的条件下进行模拟。结果表明:随着旋转数增加,科氏力作用增强,在科氏力指向侧的流动传热得以强化;浮力系数增大,旋转浮升力作用增强,会导致内流通道前后缘面出现双峰流,外流通道前缘面出现流动分离甚至产生回流;综合对比光滑通道和带肋通道,带肋通道的换热强度更大,且受到旋转效应的影响比光滑通道小。

基于Abaqus的风力机叶根高强螺栓疲劳断裂机制

风力机叶根高强螺栓疲劳断裂失效是影响风力机安全运行的重要因素,而高强螺栓的断裂与螺栓材料和所受载荷关联。以2 MW风力机叶根高强连接螺栓为研究对象,用Abaqus软件有限元仿真,研究42CrMoA螺栓材料的疲劳断裂特征。结果表明:疲劳载荷影响下,叶根螺栓应力沿周向对称分布,600 MPa时螺栓断裂位置位于叶根相接触的螺杆部位。裂纹萌生于光滑试样表面,螺栓疲劳断裂是由于多源裂纹交汇而形成峰线所致。在扭矩作用下,螺栓断裂位置位于轴承相接触的螺杆部位,随平均扭矩从1.2倍增至1.4倍,螺栓损伤寿命由2.49×10^(6)周次降至1 406周次,且断裂特征由NF+LS-LS顺序转变。本研究对揭示风力机叶根高强螺栓疲劳断裂机制和保证风电机组的安全运行有重要意义。

汽轮机叶片菌型叶根相控阵超声纵波检测

菌型叶根是汽轮机叶片叶根主要形式之一,其缺陷易发于第一齿的弧面位置。针对该位置缺陷的检测,A型超声检测难以区分结构信号与缺陷信号、相控阵超声横波扇形扫查存在耦合不良与移动不便的问题,因此提出相控阵纵波扇形扫查方案。通过仿真软件对模拟缺陷进行检测,根据检测的分辨力和缺陷回波幅值确定相控阵超声纵波检测探头的最优参数;采用最优参数对叶根不同尺寸模拟缺陷进行检测,验证检测方案的精度。对叶根的人工缺陷进行了实验验证,并对服役中的菌型叶片叶根进行了检测,发现了缺陷并通过其它检测方法进行了验证,为菌型叶根的缺陷检测提供了新的检测方案。

核电汽轮机枞树型叶根相控阵自动化检测系统研究

在役核电汽轮机叶片长期保持高速旋转,导致叶片叶根部位的应力集中严重,存在较大安全隐患,是无损检测重点关注部位。目前,基本采用手动超声或手动相控阵超声技术检测叶根的端部缺陷,无法对叶根的所有截面进行检测,存在缺陷漏检风险,安全隐患较大。本文自主研制的汽轮机枞树型叶根相控阵自动化检测系统采用自动化扫查装置,从多个探头位置对叶根的所有截面进行全覆盖检测。与传统检测方法相比,该系统的检测面更广、检测效率更高,能够实现在不拆卸汽缸的狭窄空间内开展叶根自动化检测。经过在多个核电机组汽轮机叶根检测项目中应用和优化、改进,该系统的实用性和可靠性得到较充分的验证。

叶片结构对叶片风能利用率及载荷的影响分析

针对叶片结构设计过程中叶片结构变化对风电机组性能及安全性的影响,利用GH Bladed对某73.2 m叶片进行仿真计算,通过探究扭转刚度、摆振刚度、抗弯刚度对风电机组的净空、风能利用率、发电量及载荷的影响,分析不同的刚度变化情况对机组性能及安全性的影响程度,为叶片结构设计提供依据,更加快速准确地推进叶片设计进程。结果表明,在提高发电量的前提下,叶片结构调整应该增加叶片扭转刚度和挥舞刚度,降低叶片摆振刚度,提高叶片挥舞刚度能够明显提高叶片净空及发电量,但同时会增加叶根载荷;在降低叶根合弯矩载荷的前提下,叶片结构调整应该增加叶片扭转刚度,增加叶片摆振刚度,降低叶片挥舞刚度。因此在实际调整中,需要根据载荷和发电量的实际情况进行平衡。