微小孔电火花–钻削无变质层复合加工技术研究

为实现航空涡轮叶片气膜孔的无变质层加工需求,研制了电火花–钻削复合加工系统。基于复合加工需求,优化设计了数控系统架构,以实现电火花加工主轴和钻削主轴的双轴协同控制,进而确保电火花加工与钻削加工的互不干涉;同时实现电主轴转速自动控制和进给轴速适配性调节。基于复合加工系统,开发了无变质层的微小孔复合加工工艺技术。加工过程中,首先由电火花加工主轴完成微小孔加工,然后通过钻削刀具将电火花加工完成的小孔进行扩孔加工,以完全去除微小孔孔壁变质层。基于该工艺技术,开展了直孔和20°斜孔复合系列加工试验。在微小孔直孔复合加工中,公差范围为(0.315±0.003)mm。试验结果表明,电火花–钻削复合加工具有加工效率高、孔壁无变质层、孔型精度高等优点。

某航空发动机高压涡轮导向叶片高温失效分析

通过外观检查、断口分析、材质检查、气膜孔检查和热模拟等试验工作,对故障高压涡轮导向叶片裂纹性质及产生机理进行分析。结果表明:故障叶片裂纹性质为疲劳,疲劳起源于气膜孔外壁的尖角区域。热障涂层涂覆后引起前缘气膜孔孔径减小,且使用过程中气膜孔受燃气氧化附着物影响导致孔口堵塞;叶片前缘局部超温导致基体组织转变,降低了基体的抗疲劳性能,促使叶片过早疲劳开裂。本文提出了适当加大气膜孔孔径,完善加工工艺要求,加强孔表面附着物清理等建议,可有效避免类似故障重复发生。

内部结构对空冷叶片换热性能的影响

为了深入了解空冷透平动叶的冷却机理和冷气流动特性,对某型燃气轮机透平动叶进行了气-热耦合数值模拟。结果表明,叶片端部气膜孔可以促进冷气在蛇形通道中的流动,改善冷却效果;涡流矩阵通道中子通道的宽度与高度比减小会加大涡流矩阵通道中的流动阻力,冷气在涡流矩阵通道中能得到更充分的利用,而对尾缘的冷却能力会下降,致使尾缘温度升高,因此其高宽比与冷气进口条件存在一个最佳组合关系;涡流矩阵通道结构与叶尖之间的间隙会降低冷气的利用率。

气膜孔分布对DD6单晶高温合金高周疲劳断裂行为的影响

利用带不同电液束加工气膜孔分布的DD6单晶气冷叶片模拟试样,研究其在常温下的高周疲劳性能,并对试样断口及断口侧面形貌进行宏观与微观观察。结果表明:在相同的实验条件下,气膜孔的存在对试样高周疲劳寿命的影响较大,无孔试样的平均寿命约为带3排孔试样的4倍,但是气膜孔布局对疲劳寿命的影响相对较小。通过断口宏观与微观观察发现,无孔试样呈线源特征,而1~3排孔试样裂纹均从气膜孔附近起源,呈多源特征。根据断口和晶体学理论推测,对于无孔、1排孔和多排孔试样的中间部位,裂纹沿{001}滑移面扩展;而对于多排孔试样的上下2排孔孔周的裂纹沿{111}滑移面扩展。采用有限元方法分析4种不同试样孔边应力场的分布规律,数值模拟分析结果与试样的断裂位置及形貌吻合。

孔的形状和排列方式对厚孔板微结构压膜空气阻尼的影响分析

本文对微结构上孔的形状和排列方式对压膜空气阻尼的影响进行了理论和模拟分析.理论研究表明对于不同厚度、不同排列方式下的孔单元阵列,若孔的总面积和孔单元面积均为常数,当孔数增加到某一值时有最小阻尼力,并用FEM工具ANSYS证明了该结论的正确性.结果还表明孔数对恒定尺寸微结构空气阻尼的影响随着结构厚度和孔数的增加而变得更加明显.分析结果对比表明在同样的尺寸条件下,孔方形排列微结构的空气阻尼小于孔蜂窝式排列微结构的空气阻尼,该现象随着孔单元面积的增加变得越明显,但是随着孔单元接近微结构的边界,阻尼之间的差距减小.研究结果可以用在高精度MEMS器件如MEMS地震检波器、MEMS光开关和MEMS红外光传感器等的优化设计中去.

用空气单元法求解渗流场的逸出边界问题

依据空气单元模拟排水孔的思路,在渗流场任意可能逸出边界外布置一层渗透性较强的单元,与其他实体单元一起进行渗流计算,可以实现该边界的自动求解。与现行方法相比,不仅省去了逸出边界迭代计算的麻烦,而且避免了由于逸出点定位不准确而可能引起的渗流计算不合理或收敛困难等缺陷。算例分析表明,空气单元法的计算精度与空气单元的相对渗透系数R有关,与厚度L无关。当选取了合适的R值后,可以较好地逼近现行方法。对于因引入空气单元而造成的强弱透水介质界面处数值拟真性差的现象,还提出了加入接触面薄层单元的改进方法。方法改进后,计算精度可进一步提高。最后,以小湾水电站22#坝段渗流场计算为例,说明该法的实用性和可行性。

气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.6和1.2的情况下,数值模拟了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响,得到了气膜孔附近的流场分布。所选孔形为圆柱孔、前向扩张孔、开槽前向扩张孔及新型缩放槽缝孔。结果表明:圆柱孔的冷却效率随着吹风比的增加而显著地降低;开槽前向扩张孔的冷却效率优于圆柱孔和前向扩张孔;缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于其它3种孔形,缩放槽缝孔和开槽前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果。

等离子喷涂-物理气相沉积制备热障涂层对气膜冷却孔的影响

目的研究等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)制备热障涂层过程中影响气膜冷却孔堵塞情况的因素。方法采用等离子喷涂-物理气相沉积技术,以团聚烧结的ZrO_2-7%Y_2O_3(7YSZ)为原料,在预制有气膜冷却孔的高温合金板基体上制备热障涂层,研究了气膜冷却孔的孔角度、孔径大小等参数在热障涂层制备过程中对气膜孔堵塞情况的影响。结果当气膜冷却孔的孔径控制为0.85 mm时,30°、60°、90°气膜冷却孔的孔径收缩率分别为19.01%、14.50%、14.86%,孔径收缩率随角度的增大而减小,一定程度后保持稳定。孔内部涂层结构与表面涂层结构一致,都为柱状结构涂层。当气膜冷却孔的角度控制为30°时,孔径为1.0、1.3、15 mm的气膜冷却孔的孔径收缩率分别为36.40%、31.70%、24.45%,孔径收缩率随孔径的增大而减小。涂层在孔内的分布深度随孔径大小的增大而增大。结论气膜冷却孔的角度会影响PS-PVD热障涂层的沉积效率,从而影响孔径收缩率。气膜冷却孔的孔径不影响PS-PVD热障涂层的沉积效率,但会影响孔径收缩率。

孔型对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

为了研究孔型对平板气膜冷却绝热效率(冷却效率)的影响,基于SSTk-ω紊流模型及Simple算法,采用有限体积法对控制方程进行离散。对不开槽姊妹孔(1个主孔和2个次孔)、开槽圆柱孔以及开槽姊妹孔3种不同孔型的平板气膜冷却效率进行数值模拟,得出吹风比分别为0.5,1.0,1.5,2.0时X/D=4截面的速度云图,以及不同孔型平板气膜的冷却效率。分析结果表明:随着吹风比的增大,3种孔型平板气膜的冷却效率降低;在低吹风比(M=0.5)时开槽姊妹孔平板气膜的平均冷却效率和覆盖区域最优;在高吹风比(M=2.0)时开槽圆柱孔平板气膜的平均冷却效率和覆盖区域最优。

气浮主轴轴承零件生产精益改善

气浮主轴轴承又称为气进压轴承,指的是用气体(通常是空气)作为润滑剂的滑动轴承,其优点是有更高精度、更高速度和更高表面光度,但对其零配件就有了更高的要求。要解决的气浮主轴轴承的技术难题是气咀孔和前培林气槽的铣削加工。因此,应在保证产品质量、精度的前提下,设计出快捷、操作简便的专用夹具,利用气动控制原理使其操作方便,解决气浮主轴轴承在加工中存在的技术难题,并采用一出多的气动装夹,大大降低劳动强度。在生产过程中能缩短装夹、对零、拆卸工件等辅助工前时间,提高劳动生产率,还可以实现一人多机和自动化生产,节省成本,实现快速盈利。最后通过试验验证了该方法的有效性,同时提高了产品合格率及生产效率,为企业带来了效益,可为类似生产设备的改进提供实际参考应用价值。

不同孔型对气膜冷却效果影响的数值模拟

为了解气膜冷却技术中孔型作用的影响,采用数值模拟方法,在主流速度20m/s,湍流度6%,主、射流温分别为333K和293K的条件下,考察无复合角、流向角为35°时的圆柱孔、收缩-扩散孔和反涡孔进行平板气膜冷却的冷却效果。其中,圆孔孔径12.7mm,长径比3.5,与集气室连接面形式同于其余孔型。模拟过程中,湍流Real-izable k-ε方程,标准壁面函数处理边界,SIMPLEC算法实现压力、速度耦合。结果表明:由于反涡射流抑制了肾型涡的形成并减弱了肾型涡的强度,反涡孔的冷却效果和覆盖区域优于其他两孔型。

冷却孔复合角和排列方式综合作用对平板气膜冷却效果的影响

研究复合角和排列方式综合作用对平板气膜冷却效果的影响。采用数值模拟的方法,保持射流圆孔尺寸、间距及倾斜角不变,分别对四种孔阵的平板气膜冷却进行了流动和传热的分析。利用Realizable k-ε湍流模型,标准壁面函数边界处理和SIMPLE算法,分析速度、涡量、冷却效率,对比冷却孔复合角和排列方式综合作用对平板气膜冷却效果的影响。结果显示:复合角和叉排同时存在时可改善平板展向上的冷却效果,而在平板流向上对冷却效果的影响不明显。结合吹风比得出较优的孔排方式。

气垫带式输送机气膜厚度的计算

在气垫带式输送机的输送带和盘槽之间能否形成一层均匀稳定的气膜并使气膜的厚度达到最佳值 ,对输送机的能耗和性能有着直接的影响。本文着重介绍一种计算气膜厚度的方法 ,可为气垫带式输送机的设计提供可靠的依据。

飞秒激光微加工技术在航空发动机高压单晶涡轮叶片的应用

飞秒激光加工工艺是一种国际领先的新型超精细"冷加工"工艺,可实现无材料选择性的微米级刻蚀、切割、制孔等应用,其加工件无热应力、无再铸层、无微裂纹。国产某型发动机高压涡轮工作叶片的工作环境要求极为苛刻,这已成为其发动机性能和使用寿命提升的短板。从高压涡轮单晶叶片制孔要求出发,阐述了飞秒激光"冷加工"技术、基于曲面特征点迭代逼近算法的叶片自适应定位技术和实时穿透感知技术等三项关键技术,依托Micro Drill100五轴飞秒激光微加工装备实现了单晶叶片的高质量批量加工。经金相检查、工业CT等多项检测验证,满足设计要求。

气膜孔几何结构对涡轮叶片气膜冷却影响的研究进展

综述了近年来涡轮叶片气膜孔几何结构对气膜冷却特性影响的研究成果,介绍了影响气膜冷却效果的因素,总结了气膜孔结构对叶片前缘、叶片端壁以及对平板气膜冷却影响的研究现状,阐述了气膜孔结构对气膜冷却传热特性的影响。最后指出进一步优化气膜孔结构,综合考虑气膜孔尺寸、长度、间隔、形状以及相对透平叶片取向对气膜冷却的影响和新型气膜孔的研究,将是今后工作的重点。

有气膜孔燃气轮机燃烧室燃烧流场的数值模拟

对有气膜孔的某型燃气轮机燃烧室燃烧状况用Fluent软件进行了数值模拟。在模拟中采用了标准k-ε湍流模型、"简单化学反应系统"模型和"快速化学反应"假设,用SIMPLE算法进行压力-速度耦合求解。通过对模拟结果的分析,得到了过量空气系数、火焰长度及火焰筒壁面平均温度等参数随负荷的变化趋势,并与无气膜冷却的相应情况进行了比较,主要在燃烧掺混和火焰筒壁面温度方面有了较大改善,所得结论对燃烧室的结构改进及优化有一定参考价值。

平板气膜冷却孔中心线上绝热效率的实验研究

以优化冷却孔射流角度和射流参数为主要实验目的,将平板气膜冷却作为研究对象,应用红外热像仪作为温度监测手段,研究不同角度的简单和带有复合角的复杂圆形孔射流对平板中心线上气膜冷却绝热效率的影响。在吹风比分别为M=0.5、1.0、1.5时,实验研究了简单圆形孔射流角度α=35、60、90°和带复合角β=15、60、90°圆形孔的不同排列下平板中心线上气膜冷却的绝热效率。结果表明:在简单孔情况下,射流角α=35°时绝热效率较好,带复合角情况下,β=90°时较高。双排布置时绝热效率比单排的要高很多,其中插排最佳。

航空发动机气冷涡轮叶片冷却结构研究进展

高效的冷却结构是避免气冷涡轮叶片受热损坏的关键,直接影响叶片冷却效率和航空发动机稳定性。但是高效冷却结构导致主流与冷气流的相干效应更加复杂,并且高效冷却结构的发展一直受到加工工艺的制约。本文从控制冷气流动的角度,将涡轮叶片分为前缘、中弦和尾缘区域,重点综述了近十年气冷涡轮叶片冷却结构的研究进展以及涡轮旋转状态下的气动传热特性,包括涡旋冲击冷却、气膜孔形状、尾缘内部强化换热结构与分隔肋形状等。在此基础上,对比了各个结构的冷却效果,并且指出各类冷却结构的缺陷。最后提出气冷涡轮叶片未来的发展方向和难点。

基于激光器标定的涡轮叶片点云配准方法

为解决由涡轮叶片铸造形面误差和装夹误差而导致的气膜冷却孔加工精度较低的问题,提出一种通过获取精确测量点云,以点云配准获得叶片位姿偏差的识别点激光传感器安装误差的标定方法。首先,基于机床运动学模型和标定平面几何约束条件建立方程组,求解激光传感器发射点位置偏移和激光束方向偏差;其次,通过测量磨砂标准球对标定结果的准确性进行验证,发现相比于标准直径的测量误差为0.36%;最后,经标定后的激光传感器测量得到叶片形面实测点云,点云数据归一化后,用Go-ICP算法与设计模型进行点云配准,获得从测量点云到模型点云的旋转平移矩阵,配准结果显示两组点云之间的欧式距离平方误差总和为0.0121 mm,经仿真验证平均误差率为1.97%。

离心通风器转子壁面油膜分布的数值研究

对某型航空发动机离心通风器内部流场进行数值模拟,分析不同通风孔偏心距下,油滴颗粒与转子壁面发生碰壁,在转子壁面上形成油膜的分布情况。以离心通风器内空气与滑油颗粒组成的两相流为研究对象,采用壁面液膜模型(wall film model)模拟油滴颗粒与转子壁面之间的碰撞过程。分别计算了通风孔偏心距e为5 mm、7 mm、9 mm时各壁面油膜厚度值,并分析了油膜厚度及运动的变化趋势。结果表明:各壁面的油膜厚度随通风孔偏心距的增加而加大,在e为7 mm时,通风孔内壁和旋转空心轴内壁的油膜厚度出现最大值。