航空涡轮发动机的现状及未来

自从20世纪40年代初期出现燃气涡轮以来,燃气涡轮的发展取得了巨大成就。目前,燃气涡轮发动机占据航空动力的主导地位,是知识密集、军民两用的高科技产品,是国家科技工业水平和综合国力的重要标志,成为各大国大力发展、高度断、严密封锁的关键技术。经过半个多世纪的发展,航空涡轮发动机技术取得巨大进步,推动了飞行器和航空工业的蓬勃发展。未来,随着材料、制造等基础工业的发展,航空涡轮发动机将迎来新一代的飞跃。

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。

航空发动机涡轮叶片热障涂层的现状与发展

热障涂层的研究对提高航空发动机涡轮叶片的工作效率和服役时间具有重要意义。本文重点介绍了热障涂层的结构、材料分类、制备及后处理技术、失效机制方面的研究现状,并对其未来发展进行了展望。高熵陶瓷材料等新型陶瓷材料因其优异的热稳定性及综合力学性能,具有良好的应用前景。激光表面改性技术具有效率高、形变小、局部选区处理等优势,可进一步提高热障涂层的安全可靠性。后续热障涂层的研究将聚焦高熵陶瓷材料、功能梯度材料等的研究及应用,充分采用数值分析及建模等深入研究涂层的失效与防护机制,为航空发动机涡轮叶片的发展奠定基础。

航空发动机单晶高温合金涡轮转子叶片增材修复技术研究进展

单晶高温合金涡轮转子叶片是航空发动机的核心热端部件之一,对航空发动机的推力和性能具有决定作用,其服役损伤增材修复技术是航空装备特种加工领域最具挑战的工作之一。本文系统梳理了航空发动机单晶高温合金涡轮转子叶片的增材修复工艺方法及其应用进展;针对单晶合金增材修复中易产生的热裂纹缺陷问题,从热裂纹形成机理、关键影响因素和控制措施等角度进行了归纳;总结了单晶合金增材修复组织及性能的研究进展。在此基础上,展望了单晶高温合金涡轮转子叶片增材修复的未来发展方向,指出单晶合金修复专用合金材料成分设计、新工艺开发和基于深度学习的多目标协同优化是此领域未来的重要研究方向。

“航空发动机及燃气轮机涡轮叶片修复技术”专题序言

涡轮叶片在高温、高压、大应力及燃气腐蚀环境下工作,是航空发动机和燃气轮机最关键的热端部件之一。由于单晶和定向凝固高温合金承温能力高,抗氧化和抗腐蚀性能好,可用来铸造复杂结构,因此目前是先进发动机涡轮叶片首选材料。然而,由于工作环境恶劣,即便采用了单晶和定向凝固合金制造涡轮叶片,其服役损伤也非常严重。特别是第二代、第三代单晶合金复杂空心气冷涡轮叶片,毛坯铸造难度大,成品叶片制造工艺复杂,合格率低,且合金中含有较多稀贵元素,叶片制造成本很高,价格昂贵。因此,采用焊接、热处理、涂层等技术对服役损伤的单晶和定向凝固涡轮叶片修复再利用,具有巨大的经济价值。

航空发动机动力涡轮叶片断裂试验

为研究航空发动机动力涡轮叶片的断裂转速随弯曲应力占比的变化规律,基于等效原则设计加工了4种不同弯曲应力占比、共32件模拟叶片,采用有限元法分别计算得到模拟叶片的断裂转速。对模拟叶片进行分组并开展了断裂转速测量试验,获取了模拟叶片的实际断裂转速和断裂形式,采用高速摄像技术录取了模拟叶片断裂过程,得到了叶片断裂转速随弯曲应力占比的变化规律。研究表明,模拟叶片实际断裂转速与计算转速误差不大于1.10%;在一定范围内,随着弯曲应力的降低,叶片的断裂转速大体呈现下降趋势,并且随着叶片的弯曲应力占比越大,叶片的断裂转速下降越快。研究为动力涡轮叶片的强度设计和叶片断裂试验方法提供了参考,具有重要的工程应用价值。

航空发动机高压涡轮转子轴向位移径向测量技术研究

为解决航空发动机高压涡轮转子轴向位移测量难题,提出了一种轴向位移径向测量的方法。通过该方法,建立了轴向位移与径向测量参数的关系模型;研制了轴向位移专用校准装置并设计了轴向位移校准方法;构建了一套耐高温轴向位移径向测量系统,该系统采用耐高温测量探头,满足航空发动机整机测试环境和结构特点的测量要求;完成了测量系统整机试验验证,在地面试验过程中进行高压涡轮转子轴向位移测量,得到轴向位移随发动机转速的变化规律。

航空发动机涡轮盘定寿及可靠性评估方法综述

针对中国航空发动机寿命管理发展的迫切需求,本文综述了5种航空发动机涡轮盘定寿方法:预定安全循环寿命定寿法、2/3功能失效定寿法、数据库定寿法、损伤容限定寿法以及因故退役定寿法。首先,从无损检测及在线监测技术、载荷及失效模式分析技术和先进疲劳寿命预测方法3个方面,系统分析了涡轮盘定寿方法的发展趋势及前景。其次,结合实际工程案例,介绍了基于选定定寿方法的可靠性评估流程、参数确定及其适用条件,并探讨了试验样本数量及不同寿命分布假设对定寿结果的影响。最后,总结了现有研究工作和涡轮盘定寿方法未来的发展趋势,指出中国航空发动机涡轮盘定寿工作应以充分发挥部件的寿命潜力为目标,并基于实际工程需求,结合新型传感器、数字孪生、机器学习等相关先进技术开展,从而进一步提高航空发动机全寿命周期的可靠性和经济性。

军用航空涡轮发动机润滑油装机适应性试验研究

随着航空涡轮发动机技术的迅猛发展,发动机涡轮前温度、增压比不断上升,发动机向高温、高原、高寒等工作环境拓宽,需不断地发展新型的航空发动机润滑油以满足发动机发挥应有效能。该文分析滑油使用特性对航空发动机的影响,介绍美国和俄罗斯的航空润滑油认证规范与程序,并与国内相关标准进行对比分析,阐述新型军用航空润滑油的认证程序,对滑油装机适应性应开展的试验试飞科目提出建议。

涡轮螺旋桨发动机桨叶角测量试验

详细介绍了涡轮螺旋桨发动机桨叶角测量方法,包括桨叶角传感器的研制、安装以及测试系统数据遥测、采集处理整个无线传输过程。该方法在运八飞机试验平台上成功地进行了飞行验证,为验证螺旋桨空中调节和运行规律提供了宝贵的试验数据,对于今后螺旋桨、旋翼及其它高速旋转部件的试飞测试具有重要参考价值。

航空发动机高压涡轮后轴加工工艺研究

航空发动机作为航空航天领域的核心部件,其性能对整个航天产业的发展至关重要。高压涡轮后轴是航空发动机的核心部件,主要功能是将高温燃气能转化成机械能来驱动发动机。因此,高压涡轮后轴的加工质量及加工工艺直接关系到发动机的工作性能与使用寿命。文章分析了航空发动机高压涡轮后轴的加工工艺,介绍了加工设备及材料特性,分析了加工难点并对加工工艺进行了优化。

俄罗斯涡轮螺旋桨发动机润滑油的发展

涡轮螺旋桨发动机综合了涡轮喷气发动机和活塞式发动机的优点,对发动机润滑油具有特殊的要求。俄罗斯(前苏联)的涡轮螺旋桨发动机润滑油在世界上独具特色。简要论述了俄罗斯(前苏联)涡轮螺旋桨发动机润滑油从矿物油向合成油的发展过程。不断拓展其使用温度是涡轮螺旋桨发动机润滑油发展的主要方向。

陶瓷涂层在航空发动机涡轮叶片表面处理中的应用

从涂层材料、制备方法、涂层特点以及存在的问题等几个方面介绍了陶瓷涂层技术的研究和发展状况 ,并针对航空发动机涡轮叶片 ,在分析了陶瓷涂层作为叶片热障涂层的应用研究状况和效能的同时 ,提出了在叶片易磨损部位的修复中应用陶瓷涂层以及直接用陶瓷涂层作为叶片耐磨涂层的设想。

航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状与展望

燃气涡轮发动机在航空、地面和舰船上有着广泛的应用,对其进行性能评估和故障诊断有着重大的现实意义。本文对发动机气路诊断的发展以及当前的主要气路诊断方法如故障方程法,基于非线性模型的诊断方法,基于人工智能等方法进行了综述,最后对航空发动机气路诊断的发展进行了展望。

航空发动机涡轮叶片裂纹检测信号特征提取

航空发动机涡轮叶片是高精密重要器件,其表面微裂纹检测属于不规则曲面检测的一种,是无损检测领域研究的热点和难点。考虑到涡流检测的特有优势,设计了一种不同于传统方式的简单实用且有效的差激励涡流探头,实现对涡轮叶片预制微裂纹的识别。由于叶片表面为曲率变化的弧面,检测过程难免会发生提离,因此获得的检测信号中包含噪声和多个奇异点等多种干扰因素。为保证缺陷位置重要信息不丢失,采用镜像延拓经验模态分解(EMD)重构与小波奇异性检测相结合的方法对得到的微裂纹信号进行处理,滤除了非裂纹位置的多处畸变点影响,有效准确地实现了叶片微裂纹位置的判定。实验结果表明,该方法可以有效降低检测信号的噪声和干扰,准确提取裂纹信号特征信息,对飞机涡轮叶片类零件微缺陷的早期检测和完整有效性评估具有一定的借鉴意义。

一种基于工业CT的航空发动机涡轮叶片生产检测系统关键技术研究

基于工业CT的航空发动机涡轮叶片无损检测系统能对涡轮叶片进行无损、准确、高效和全方位的检测。检测系统软件使用叶片的CT切片图像建立叶片的三维数字样品模型 ,基于此模型进行叶片的尺寸检测、表面轮廓度偏差分析、壁厚分析以及铸造缺陷分析 ,给出最终的检测报告。主要研究与实现了叶片数字样品模型生成、表面轮廓度偏差分析和壁厚分析等检测系统软件中的关键技术 。

无导叶对转涡轮新技术在高推比航空发动机中的运用

由于当代新的歼击机发展的需要 ,推重比 1 0以上的涡扇发动机的研制势在必行 ,而对于涡轮部件 ,采用超跨音、大负荷、低稠度、无导叶、大转折角的对转涡轮方案是一个重大的技术措施。它将大幅度减轻发动机重量 ,提高推动比。文中对此论述了它的主要优点 ,以及由此带来涡轮气动设计、计算方面的新问题和新概念。我们设计并制造出了试验件 ,并与 6 0 8所合作在北航建立了对转涡轮试验台。

航空发动机动力涡轮单元体高速动平衡试验研究

针对涡轴发动机动力涡轮转子在高速动平衡后必须经过分解和重新装配才能装在发动机中使用而带来的不足,提出直接对动力涡轮单元体进行高速动平衡试验。完成单元体的动力特性计算,通过分析单元体在发动机中的安装情况,设计并实施单元体的平衡方案,在此基础上完成动力涡轮单元体的高速动平衡试验,效果良好,平衡后的单元体没有经过分解和重新装配直接装机使用,并在发动机整机台架试车中表现出良好的振动特性,单元体的高速动平衡完全有希望取代动力涡轮转子的高速动平衡,而发展成为一项生产平衡技术,有很高的工程应用价值。

航空发动机涡轮盘榫槽的形状优化设计

给出了航空发动机涡轮盘榫槽的形状优化设计的数学模型，并用参变量评价函数法对该数学模型进行等价转换。用基于两点累积信息的原／倒变量展开的对偶优化方法ＤＥＯＲＣＴ对该问题进行求解。算例验证了本文思想及方法的正确性。