考虑热障涂层的叶片-机匣碰摩摩擦热数值模拟

作     者：崔慧儒 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕延军

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：叶片-机匣 钛合金碰摩 热障涂层 热防护 TGO形貌 

摘      要：叶片与机匣间的碰摩摩擦热问题严重影响航空发动机长期服役过程中的可靠性及安全性。针对航空发动机叶片-机匣碰摩这一关键问题,量化评估了考虑热障涂层时碰摩产生的剧烈摩擦热效应及其对钛合金材料的隔热防护效果。本文基于Hertz接触理论,结合接触力模型,建立了考虑涂层作用的球轴承-多叶片转子系统碰摩动力学模型,运用四阶Runge-Kutta法求解转子系统动力学方程,获得了系统的动力学响应。采用有限元方法建立了机匣-多叶片转子系统碰摩摩擦热有限元模型,对系统碰摩过程中叶片叶尖表面温度进行求解,并结合热障涂层的应用,深入研究了不同转速及有无涂层作用下叶片叶尖的温升情况。论文主要研究内容如下: (1)基于分形理论,构建了钛合金及热障涂层表面三维形貌,解释了二者摩擦系数差异的原因。通过对微凸体接触模型的推导,提出了微观接触刚度与阻尼的计算方法,并建立了一种适用于叶片-机匣碰撞的等效连续接触力模型,其中包含了含迟滞阻尼的碰摩力模型。通过对多种经典模型(Hertz、Hunt-Crossley、Lankarani-Nikravesh及Flores)的对比分析,确定了Lankarani-Nikravesh模型作为研究的基础模型,并通过对比理论与实验数据验证了其有效性。 (2)以球轴承-多叶片转子系统为例,研究了转盘不平衡力与叶片-机匣碰摩力耦合作用下的动力学特性,重点关注涂层对系统性能的提升作用。论文构建了有无涂层情况下碰摩力的理论模型,并结合Coulomb摩擦模型推导出考虑涂层及接触阻尼的碰摩力表达式。通过建立转子系统的动力学模型,证明了涂层在不同转速下对叶片碰摩力的调控作用及其动态变化规律,证明涂层能够有效地减轻碰摩效应,提高转子系统的动力学稳定性,为后续深入研究提供一定的理论参考。 (3)系统研究了转子系统叶片与机匣间接触面的温升情况,依据摩擦生热原理与传热学理论框架,构建了多叶片-机匣转子系统碰摩热有限元模型,并通过数值模拟对比分析了有无涂层及不同转子转速(500 r/min、1000 r/min及1500 r/min)下叶片与机匣接触面的温升变化。结果显示,在转子转速为500 r/min时,无涂层情况下,叶尖最高温度为3170.11 K;有涂层情况下,叶尖最高温度为938.34 K。对于转子转速分别为500 r/min、1000 r/min及1500 r/min时,叶尖最高温度分别为938.34 K、1571.28 K、1906.75 K。可见,热障涂层能显著降低叶片温升速率,确保叶片在安全温度下工作,进而提升航空发动机的整体性能与安全性。 (4)探讨了热障涂层氧化物层(Thermally Grown Oxide,TGO)形貌对其残余应力的影响。运用有限元方法模拟不同TGO波形(波长、幅值及TGO厚度)的热应力分布,揭示了不同TGO形貌对涂层性能维持与寿命预测的重要性。