某型高温涡轮叶片冷却性能的实验研究

为了有效监测高温涡轮叶片的安全运行状态,基于响应面模型对某型高温涡轮叶片进行了实验研究,旨在探究关键工况参数对其冷却性能的影响,以提供可靠的数据支持。采用中心复合表面设计对某型叶片的工况参数进行设计,研究了主流入口温度、主流出口压力、主流进出口压比、冷气与主流温度比及流量比对某型叶片冷却效率分布、无量纲温度分布及温度非均匀度的影响规律,并在此基础上构建了响应面模型,探究了工况参数的耦合作用对某型叶片冷却性能的综合影响。实验结果表明:拟合得到的响应面模型有较高的精度,其均方根误差均小于0.001,决定系数均大于0.99;主流入口温度和出口压力对叶片冷却性能的影响均较小;在实验工况范围内,当主流进出口压比、冷气与主流温度比及流量比分别从1.3~1.5、0.6~0.7、3~8增大时,叶片的平均冷却效率分别增大了9.67%、9.39%、30.49%;叶片的平均无量纲温度分别提高了2.98%,降低了1.34%、3.78%;叶片的温度非均匀度分别降低了2.69%、28.79%,提高了50.27%。

基于MATLAB的民航发动机涡轮叶片寿命建模

针对民航飞机维修工作中发动机涡轮叶片普遍存在故障率较高的问题,收集某型民用航空发动机涡轮叶片的可靠性数据,并运用三参数Weibull分布建立该型发动机涡轮叶片的可靠性寿命模型。在模型求解的数值计算过程中,为保证模型的计算精度,采用经典的牛顿迭代法及三参数相关系数优化法对涡轮叶片的寿命数据进行拟合分析及计算;同时为减少计算工作量及提高数值计算过程中人工智能的参与度,基于MATLAB软件对上述数值计算方法编写计算程序,最后对计算结果进行K-S假设检验。结果表明:对涡轮叶片寿命数据进行可靠性分析时,运用Weibull分布建立的数学模型符合客观规律;同时牛顿迭代法、三参数相关系数优化法及MATLAB计算程序的有效利用,保证了计算结果的精度。

热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用、失效与维护

航空发动机涡轮叶片热障涂层对延长涡轮叶片的使用寿命具有至关重要的作用。首先概述了航空发动机热障涂层的重要性,其次归纳了航空发动机涡轮叶片热障涂层的制备技术及应用特点,主要对大气等离子、电子束物理气相沉积、等离子喷涂-物理气相沉积等3种热障涂层进行了论述。在此基础上,重点阐述了热障涂层在航空发动机涡轮叶片中的典型失效形式,包括高温氧化失效、热腐蚀失效及颗粒物冲击,对以上失效形式的失效机理进行了重点论述。最后结合发动机状态监控及涡轮叶片孔探技术,对涡轮叶片热障涂层的常见典型失效给出了工程案例分析与建议。

高温涡轮叶片变形重构研究

高温涡轮叶片在整个设备可靠运行的过程中起着至关重要的作用,因此在工作状态下监测高温涡轮叶片的变形非常重要。这里将高温涡轮叶片简化为二维梁结构,分析了涡轮叶片的主要变形形式,通过变形重构算法建立了应变-变形的数学模型,搭建了基于FBG的高温涡轮叶片变形检测实验系统,在常温和500℃高温下对叶片施加不同类型的负载,利用光纤光栅传感器检测测点应变并重构叶片的变形;实验结果与ANSYS仿真结果及位移传感器测得的变形结果吻合程度较好,证明了该测量方法和变形重构算法的有效性。

基于GWO-VMD的涡轮叶片特征提取

燃气轮机涡轮叶片是燃气轮机的重要组成部分,长期工作在高温、高压、高速的恶劣环境下,健康的涡轮叶片能够保证燃气轮机高效率地工作.温度是反映燃气轮机涡轮叶片状态的关键参数,在涡轮叶片发生涂层脱落、断裂等故障时,叶片表面温度会发生变化,为了衡量涡轮叶片的健康状态,采用了温度这一叶片质量的重要指标,对数据预处理并进行特征提取,将涡轮叶片特征聚类.基于GWO-VMD提取叶片温度信号经分解后各IMF分量的4种熵特征,使用PCA对提取到的叶片特征进行降维,将降维后的特征送入FCM聚类算法,通过SSE和轮廓系数得到最佳聚类个数,实现对叶片特征的聚类.聚类效果表明,该特征提取方法能够较好地区分不同涡轮叶片的健康状态,为涡轮叶片健康监测的研究提供了一定思路.

氧化损伤对航空发动机涡轮叶片裂纹扩展影响

氧化损伤以及裂纹在涡轮叶片服役过程中不可避免,对裂纹行为的预测及其受氧化损伤的影响对于服役安全和寿命管理具有重要意义。针对航空发动机高压涡轮叶片长期处于高温环境下产生的氧化损伤以及裂纹问题,通过对紧凑拉伸(CT)试样在850℃条件下进行疲劳裂纹扩展试验,得到正常试样和氧化损伤后试样的疲劳裂纹扩展速率;运用Paris模型考虑了存在氧化损伤时裂纹扩展的情况,对比氧化损伤对疲劳裂纹扩展速率的影响。本文以某航空发动机高压涡轮叶片为例,聚焦于氧化损伤对裂纹扩展阶段的影响,利用ANSYS和Franc3D软件分析并对比涡轮叶片在有无氧化损伤条件下的裂纹扩展寿命。结果表明,叶片前缘裂纹受氧化损伤影响下,其循环寿命平均降低到无氧化损伤情况下的44.02%,叶片后缘裂纹循环寿命平均降低到无氧化损伤情况下的50.22%。对实际服役环境工作条件下的涡轮叶片寿命评估提供基础参考,以及在其他实际工程中正确评价材料、预测工程热端零部件的使用寿命和设计强度均有重要的现实意义。

航空发动机涡轮叶片表面裂纹的超声红外热成像检测

为了验证超声红外热成像检测方法对航空发动机涡轮叶片表面不同分布类型的微裂纹缺陷的检测可行性及检测效果,采用理论分析和试验结合的方法,通过分析超声红外热成像检测原理,建立超声红外热成像检测系统;对含已知类型裂纹的涡轮叶片进行超声红外热成像检测,根据试验结果分析该方法的有效性以及裂纹分布对检测结果的影响。结果表明,该方法能够快速判断叶片是否存在缺陷;对于裂纹独立分布的叶片,该方法能够准确检测出裂纹的大小和位置,而对于裂纹弥散分布的叶片,其虽然能快速检测出裂纹分布区域,但难以对裂纹数量做出定量分析。

基于深度学习的航空发动机涡轮叶片自动射线检测技术研究

一直以来,航空发动机涡轮叶片的射线检测依靠检验员人工评片。为避免经验差异、眼睛疲劳、标准理解等人为因素影响,有效改善传统射线检测费时费力、效率低下等问题,针对航空发动机涡轮叶片射线图像,基于YOLOv4模型提出了一种双主干特征融合的缺陷自动检测算法(DBFFYOLOv4);通过设计包含所有特征映射的新型连接结构搭建缺陷检测颈部网络,建立了适用于涡轮叶片射线图像的缺陷自动检测模型;针对每个缺陷,采用9次裁剪、旋转和亮度增减的图像数据增强方法扩充样本数据,在此基础上进行了模型训练与测试。结果表明,针对完整涡轮叶片,建立的缺陷检测模型在0.5的置信度阈值下可获得96.7%的平均查准率和91.87%的平均查全率,优于通用目标检测算法YOLOv4模型。9次缺陷裁剪、旋转和亮度增减的图像数据增强方法能够显著提高模型的缺陷检测精度(平均精度分别得到了59.19%和2.53%的提升)。该研究为涡轮叶片自动射线检测提供了一种新方法。

基于流场仿真的某型涡轮叶片的表面微结构分析

利用流场仿真和扫描电子显微镜观测的方法,对某型涡轮叶片工作前后的表面微形貌进行了分析,研究了高温高压环境对叶片表面形貌变化的影响。首先为了提高计算效率,根据叶片形式,建立了涡轮叶片流场的周期性对称CFD模型,并利用有限体积法对流场的温度和压力进行计算分析;然后利用扫描电镜对工作叶片的表面形貌进行观测,分析叶片表面微缺陷形式;最后根据仿真与试验观测结果,分析了叶片缺陷产生的原因和影响叶片表面微结构变化的因素。结果表明:叶片前缘温度达到最高的860K,在几何结构和波系的共同作用下,叶片前后缘、叶尖、叶根附近流场流动特性复杂,流道内温度和压力分布不均匀;叶片后缘根部出现长约180μm的穿晶/沿晶混合模式的微裂纹,后缘叶尖处有长约30μm的夹杂物裂纹出现,这是叶片热应力、叶片表面金相转变、氧化、氢脆等共同作用的结果;应根据涡轮泵的实际任务情况对涡轮泵地面热试车程序进行合理的安排,尤其在关机阶段要考虑是否对涡轮叶片的冷却采取大气环境隔离措施。研究可为液体火箭发动机涡轮叶片寿命评估提供参考。

镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展

作为先进航空发动机不可缺少的核心部件之一,镍基单晶涡轮叶片(简称单晶叶片)的空心结构尺寸精度、合金元素的分布均匀性和表面及内腔冶金质量等要求极为苛刻。研究发现,定向凝固过程中温度梯度的控制直接影响单晶叶片性能和质量,能否持续获得稳定热流成为定向凝固技术的关键。随着计算机技术的不断进步,数值模拟已经成为单晶叶片定向凝固研究的重要手段之一。首先,对单晶叶片制备技术进行了介绍,分析了定向凝固过程中的传热方式。其次,总结了数值模拟界面换热系数边界条件的优化方法,重点介绍了Beck非线性估算法和有限差分法在界面换热系数求解中的应用,证明了两种方法均可以对铸件/型壳间的界面换热系数进行求解,有效提升了温度场模拟的准确性。最后,对定向凝固过程温度场数值模拟的研究进展进行了追踪,总结归纳出了工艺参数对温度场的影响规律。基于对镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展的分析,提出了定向凝固工艺优化方向以及相关技术后续的发展趋势,以促进单晶涡轮叶片的高质量研发。

涡轮叶片裂纹方位角的三维叶尖间隙动态响应特性研究

针对叶尖定时故障诊断方法在检测叶片裂纹时仅关注一维信息、提取故障特征有限的不足,利用叶尖间隙具有三维特征的特点,提出了航空发动机涡轮叶-盘-轴耦合系统的三维叶尖间隙(3D-BTC)有限元模型。以该模型为基础,分析了航空发动机涡轮叶片裂纹方位角对三维叶尖间隙的影响规律。首先,建立了航空发动机涡轮叶-盘-轴耦合系统有限元模型;其次,在叶片尾缘处引入贯穿裂纹,通过瞬态动力学分析计算了在不同横滚角、俯仰角裂纹作用下叶片的变形;最后,采用三维叶尖间隙计算方法获取了叶片三维叶尖间隙时域波形及频谱,研究了航空发动机涡轮叶片裂纹方位角的三维叶尖间隙动态响应特性。计算结果表明:裂纹的出现会降低叶片刚度,从而影响叶片的三维叶尖间隙;叶片三维叶尖间隙随裂纹横滚角的增大而减小,随裂纹俯仰角的增大先减小后增大;随着裂纹两类方位角变化,不同测点位置的叶尖径向间隙基本谐波分量峰值变化率的差值最大为6.1%,周向滑移角和轴向偏转角基本谐波分量峰值变化率的差值小于0.12%,可见综合三维叶尖间隙能够更准确地反映裂纹信息。

基于单高速相机3D-DIC的涡轮叶片全场振动测量

采用成本较低、结构紧凑且使用便捷的单高速相机三维数字图像相关方法(single-camera high-speed three-dimensional digital image correlation,简称SCHS 3D-DIC)对涡轮叶片的振动特性进行试验研究。首先,介绍了测量装置和原理,以悬臂铝板为对象开展验证试验,结果证明了该测量系统的准确性与有效性;其次,开展了叶片的全场振动特性测量,得到了其三维形貌、模态特性、全场位移与应变分布,获得了叶片在振动载荷作用下的高应变区域位置及应变分布特点。研究表明,SCHS 3D-DIC方法相比常规双高速相机3D-DIC方法具有更高的视场利用率,适合于细长型的涡轮叶片的振动测量试验。

涡轮叶片装配智能优化算法

涡轮组件装配是发动机制造过程的重要组成部分,在装配过程中为保证涡轮叶片装配完成后的转子不平衡量符合设计标准,需对叶片进行分组试装等步骤,装配效率因此受到影响。为解决此问题,提出一种基于改进模拟退火算法的叶片装配序列优化方法。建立由轮盘自身不平衡量与叶片不平衡量相结合的数学模型,采用多邻域搜索机制,改进退火机制,增加升温、记忆模块等方法来改进算法,通过实例验证了算法的有效性,并与蝴蝶算法,天鹰算法,原始模拟退火算法进行比较,有效地降低了涡轮转子不平衡量。结果表明,改进的模拟退火算法能够有效的减少叶片装配后的不平衡量。为使该算法能够更方便的服务于装配现场,基于MFC框架开发一款叶片装配软件,为解决叶片装配需进行多次拆装以及装配效率低的问题提供了一种有效的方案。

涡轮叶片榫头磨削加工应用研究

针对航空发动机涡轮叶片榫头磨削加工问题,通过分析涡轮叶片零件材料及结构特点,制定其缓进磨削加工的主要工艺流程,据此总结出涡轮叶片磨削工艺装备、参数验证方法和检测过程及方法。针对零件加工过程中的难点及实际工艺过程的注意事项,如多余物控制及标印等,提出了解决方案。同时根据零件使用过程中避免再结晶的特点,设计正交实验,得到最佳磨削参数并进行验证分析。最后总结了零件工艺过程并提出了后续工艺提升改进的方向。

基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测

为了解决航空发动机涡轮叶片气膜孔几何特征参数有效检测手段缺乏、测量结果一致性差的问题,设计并搭建了基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测系统,提出了利用该系统对涡轮叶片气膜孔进行测量的方法,通过试验进行了方法验证。搭建的系统为多传感器测量系统,具备叶片接触与非接触测量、空间姿态定位及3D投影能力,实现了涡轮叶片全范围气模孔的测量。在试验中,选取高压涡轮叶片作为被测物体,应用该测量系统对叶片上的气膜孔进行了测量,计算得到了气膜孔直径、轴线角度及位置度的准确信息。结果表明:通过测量不确定度的分析评定可知,该系统对气膜孔直径、位置度的测量不确定度均小于0.01 mm,完全满足设计公差对测量仪器的精度要求,可以用于涡轮叶片气膜孔工程化测量。

面向涡轮叶片变形测量的旋转适应性图像匹配方法研究

研究了超临界二氧化碳涡轮发电系统叶片在工作情况下的变形测量方法。对于叶片变形测量可采用三维数字图像相关法技术路线(3D-DIC),但是需要解决由于叶片切向变形和相机触发误差引起的区域旋转图像的匹配问题(2D-DIC部分)。针对旋转图像的匹配问题,采用了一种旋转适应性图像匹配方法,对于检测点的初值搜索采用基于ORB特征的初值匹配方法,对于检测点的亚像素匹配采用基于反向组合高斯牛顿法(IC-GN)亚像素匹配方法。最终利用旋转-应变图像进行仿真,应变测量精度达到2%,验证了图像匹配方法对于涡轮叶片变形测量的适应性。

涡轮叶片气热耦合壁温及压力分布计算与分析

针对气冷涡轮叶片建立了耦合分析数值模拟计算平台,采用气热耦合的方法,对径向气冷MARKⅡ型叶片进行三维气热耦合数值模拟。分析了该内冷涡轮叶片的多场耦合特性,并将计算结果与试验值进行对比。对比结果表明:湍流模型的选择影响叶片表面的温度分布,但对叶片表面压力分布影响较小;在选择的6种湍流模型中,SSTk-ω湍流模型对该流场状态模拟的效果较好,叶片表面温度和压力与试验结果最接近,满足工程上的计算要求。考虑涡轮进口总温径向不均匀时,会在叶片尾缘形成局部高温区,增加了叶身的温度梯度,可适当改进冷却方式,以提高叶片强度。

涡轮叶片薄壁叶尖激光熔覆修复裂纹分析及控制

某型航空发动机高压涡轮工作叶片叶尖磨损后,采用激光熔覆技术进行修复,经X光探伤检查发现熔覆层与基体结合面上有纵向显微裂纹,其不合格率达到20%左右。通过基体材料成分分析、金相观察、扫描电镜、工业CT等手段分析裂纹产生原因,结果表明:裂纹为激光熔覆过程中应力过大产生的热裂纹,通过增加预热、调整激光出光模式等方式可有效降低裂纹故障率。控制措施实施后,继续跟踪检查24台叶片激光熔覆修复情况,其合格率达到99%以上。

压力敏感涂料技术在涡轮叶片和平面叶栅中的应用进展

由于传统压力测量技术难以实现涡轮叶片表面压力分布的连续监测,因此,开发新型测量技术变得尤为迫切。压力敏感涂料作为一种非接触式的光学表面压力测量技术,其以低成本、高空间分辨率、全域测量能力以及对气动流场影响小的显著优点,已经成为压力测量领域的一个研究热点。本文从实验装置设计、测量结果分析等多个维度,详细介绍了压力敏感涂料技术在涡轮叶片和平面叶栅压力测量中的应用现状,深入讨论了实验设备参数选择、测量布局优化等关键问题。同时,结合国内外的研究与应用案例,探讨了压力敏感涂料技术在叶片表面压力测量领域所遇到的挑战和发展前景。

航空发动机涡轮叶片疲劳寿命预测和可靠性分析

针对航空发动机涡轮叶片未及时检修发生疲劳破坏造成发动机故障问题,本文对航空发动机涡轮叶片做结构可靠性分析,从而进行故障风险评估以及优化涡轮叶片的巡检时间。以我国航空发动机常用的涡轮叶片材料——GH4033作为研究对象,利用应力-强度干涉模型,结合GH4033材料疲劳试验数据,基于P-S-N曲线对涡轮叶片寿命进行预测。同时,在应力参数和安全系数K已知,强度参数未知时,对强度参数作了极大似然估计。结果表明,极大似然估计值接近真实值。