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- 航空发动机热端部件的主动热应力控制机理研究
- 作者： 李果 来源： 北京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 涡轮盘 温度梯度 热应力 主动控制 设计流程 应力评价
- 描述： 航空发动机热端部件长期工作在高温环境下，其中的涡轮盘除承受离心负荷外还承受极端热负荷作用，且涡轮盘的破裂和工作异常往往带来灾难性的故障并危及飞行器的安全性，所以被美国联邦航空局（Federal Aviation Administration, FAA）定义为寿命限制件。正因为其重要性，涡轮盘的设计一直以来都是航空发动机设计中的重点。目前，我国对涡轮盘的设计通常采用顺序化设计流程，即首先进行温度水平分析，然后以获得的温度场为基础，校核应力水平是否满足强度要求。其中对温度水平的分析，我国通常认为要在一定的冷气耗量下实现：轮盘的总体温度水平满足材料的各项强度要求；轮盘上的径向温差尽可能的低，以减小盘上的热应力水平，这两者也被认为是涡轮盘冷却技术的两个评价指标。然而，涡轮盘的设计目的是获得满足强度需求的结构形式，而强度需求决定于轮盘上应力水平，顺序化设计流程未能在设计中将温度水平与应力水平直接关联；涡轮盘冷却技术的评价指标也仅与盘上的温度水平相关，并不能对轮盘上的应力水平作出直接评判，所以目前对涡轮盘的设计存在着局限性且涡轮盘冷却技术的潜力并没有被完全发掘。即，对于有可能出现的，在更为合理的平均温度水平及温度梯度分布下获得更低的轮盘上应力水平以保证安全性的情况，以我国目前的涡轮盘设计流程并不能获得。同时，轮盘上温度水平与应力水平直接关联性研究的缺失以及冷却技术评价指标的局限性，也进一步在涡轮盘设计思想中产生了实现热端部件减重的同时仍保证部件较高安全性是“不可能完成的任务”的传统认识。 论文正是针对以上所述的不足，创新性地提出可以对轮盘上能量进行主动的组织和管理来构建合理、有利的温度梯度，并利用由此而主动变化或产生的热应力去影响全盘应力水平，即主动热应力控制方法。 论文首次实现涡轮盘上温度水平与应力水平间的直接关联，通过理论分析和数值模拟的研究手段，并在目前的冷却技术及冷气耗量条件下，获得轮盘上能量分布形式与应力水平间的变化规律，完成主动热应力控制方法的内在机理分析。研究表明：轮盘上能量的主动组织和管理来构建和扩大轮盘部分区域的温度梯度可以非常有效的控制轮盘应力水平并实现最大应力水平的下降；基于简单和复杂转静系模型的理论及数值模拟分析获得了一致的轮盘上能量分布形式与应力水平间的变化规律，即主动的提高盘心温度可以在轮盘上构建类“V”形温度分布，利用由此产生的逆向温度梯度的拉动效果明显降低了轮盘上应力水平。 论文创新性地使用近真空环境消除空气冷却作用的影响并以真实轮盘为模型进行旋转轮盘上温度分布与应力水平间的关联性实验，验证能量分布形式与应力水平间的变化规律，获得温度分布的改变对应力的影响水平，证明主动热应力控制方法的可行性、有效性。实验结果表明：在轮盘上仅通过主动构建合理的温度梯度即可以实现盘心应力水平的大幅下降；轮盘上温度分布的变化对应力水平的影响非常显著；与传统轮盘相比，采用主动热应力控制方法构建温度梯度的轮盘可以在6000 rpm时产生超过28 %的最大应力水平的降低。 论文独创开发了一种基于多场耦合的涡轮盘参数化优化设计方法，利用自编程序在各通用设计软件间建立关联，采用iSIGHT软件的优化模块进行设计寻优并在该软件平台的基础上完成总体架构。该方法在设计阶段实现轮盘上温度水平与应力水平间的直接关联，更为充分的体现流-热-固场间的强耦合作用，为以温度控制为基础的主动热应力控制方法提供实现平台，其本质是将全盘应力水平评价增加进传统的冷却技术评价指标中以弥补其局限性并进一步挖掘涡轮盘冷却技术的全部潜力，从而转变了传统的涡轮盘设计思想，即在目前的冷却技术下可以实现涡轮盘减重的同时仍保证轮盘安全性或者在一定的轮盘质量下通过降低轮盘应力水平而进一步提高其安全性。论文中使用该设计方法对一种采用主动热应力控制的新型涡轮盘结构进行优化设计，其在原型盘的基础上获得了5.73%的最大应力水平下降并同时实现质量降低7.47%。此外，涡轮盘参数化优化设计方法与传统的顺序化设计流程相比具有更高的设计自动化程度，并大大减少设计成本和设计周期。