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高压涡轮导叶吸力面异型孔的对比研究

风机技术 2024年第3期66卷 8-16页

作者：江艳李海旺陶智周志宇北京航空航天大学航空发动机研究院北京航空航天大学能源与动力工程学院北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室

本文研究了高压涡轮导叶吸力面4种类型气膜孔在4组吹风比下的流动和换热特征,采用了数值模拟的方法获得了吸力面研究区域中4种气膜孔的绝热气膜冷却效率η、换热系数比hr/h0和净热通量减少量(NHFR),且分别进行对比分析。结果显示,簸箕... 详细信息

本文研究了高压涡轮导叶吸力面4种类型气膜孔在4组吹风比下的流动和换热特征,采用了数值模拟的方法获得了吸力面研究区域中4种气膜孔的绝热气膜冷却效率η、换热系数比hr/h0和净热通量减少量(NHFR),且分别进行对比分析。结果显示,簸箕孔因同时具有展向扩张角(β)增大冷气展向覆盖面积和流向扩张角(δ)提高射流贴壁性的优势,呈现出最大的绝热气膜冷却效率η和净热通量减少量(NHFR),但同时其增强了换热,使簸箕孔比其它3种气膜孔拥有最大的净热通量减少量(NHFR)的优势相较于其拥有最大的气膜冷效η的优势有所降低。而水滴孔相较于圆柱孔的优势不明显,故展向扩张角对气膜孔流动和换热特征的影响比流向扩张角大。

关键词：气膜冷却效率换热系数净热通量减少量(NHFR) 异型孔吸力面涡轮导叶

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异型孔的液滴/空气气膜冷却数值模拟研究

异型孔的液滴/空气气膜冷却数值模拟研究

作者：冯旭铮华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

为了提高燃气轮机的热效率,涡轮前温度不断越高。目前工业H级燃气轮机的涡轮前温度已经提高到1600摄氏度,这个温度远远超过了涡轮叶片材料的耐受温度,这使得涡轮叶片的冷却设计特别是气膜冷却成为燃气轮机的关键技术。国内外对涡轮叶片... 详细信息

为了提高燃气轮机的热效率,涡轮前温度不断越高。目前工业H级燃气轮机的涡轮前温度已经提高到1600摄氏度,这个温度远远超过了涡轮叶片材料的耐受温度,这使得涡轮叶片的冷却设计特别是气膜冷却成为燃气轮机的关键技术。国内外对涡轮叶片冷却的研究不断深入:气膜冷却孔从常规孔型发展到异型孔;冷却介质从纯空气发展到蒸汽、液滴等双工质冷却。本文采用数值模拟的方法,基于平板和实际叶栅模型,研究了常规圆柱孔与两种异型孔的空气及液滴/空气双工质气膜冷却效果,主要内容及结论如下:在冷却介质为纯空气时,两种异型孔由于二次流与主流掺混所形成的特殊涡流导致冷却空气更贴近壁面,从而实现了更好的气膜冷却效果。初始孔型的扇形化结构并没有带来一致的冷却效果变化,其中双喷扇形孔的面平均气膜冷却效率在吹风比为0.75时较双喷孔提升了 27.63%。将一定量的液滴加入到冷却空气中,数值模拟的结果显示气膜冷却效果均有不同程度的提升。针对三种质量分数、五种不同液滴直径的研究显示:冷却效果对液滴直径的变化有很强的敏感性,直径从5 μm提高到10 μm及以上时,面平均气膜冷却效率降低了近一半。液滴质量分数成倍的增加,不能带来气膜冷却效果对等的提升,因而使用相对较小的质量分数是更为实际的选择。在7FB级涡轮叶片的吸力面曲率最大处、主流流速最大处分别布置圆柱、双喷孔与姐妹孔,并进行了纯空气、液滴/空气双工质气膜冷却数值模拟,结果显示:姐妹孔分散的孔型布置使其每个孔流出的冷却空气动量更低更易在主流的作用下贴附壁面,且对主流发展的影响较小,其在纯空气时相比圆柱孔面平均温度分别下降101.74 K、71.69 K与108.25 K,双喷孔复合角的布置产生了展向速度分量,这有利于气膜的铺展,但对主流造成了更强的扰动,面平均温度较圆柱孔分别下降40.79 K、37.98 K与44.65 K。加入5%质量分数的5 μm直径的液滴后,三种孔型的面平均温度都有不同程度的降低,其中姐妹孔降低幅度最高,达到77.31 K,优于双喷孔与圆柱孔。以上研究数值验证了异型孔与液滴/空气双工质气膜冷却设计可以有效地提升涡轮叶片的冷却效果。

关键词：异型孔气膜冷却吹风比扇形化液滴

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旋转对涡轮叶片异型孔气膜冷却的影响

推进技术 2016年第9期37卷 1713-1719页

作者：朱兴丹张靖周谭晓茗南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016

为了揭示异型气膜孔在旋转状态下的冷却特性,采用数值模拟的方法分析了吹风比为0.6时旋转对涡轮叶片异型气膜孔流动及冷却的影响,包括三种气膜孔:圆孔、扇形孔及收敛缝型孔。结果表明:旋转时气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向偏转... 详细信息

为了揭示异型气膜孔在旋转状态下的冷却特性,采用数值模拟的方法分析了吹风比为0.6时旋转对涡轮叶片异型气膜孔流动及冷却的影响,包括三种气膜孔:圆孔、扇形孔及收敛缝型孔。结果表明:旋转时气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向偏转,射流涡结构被弱化而变得不明显,气膜射流向主流的穿透得到一定程度的削弱;圆孔和扇形孔冷却效率随旋转雷诺数增大而升高,局部最多可分别提高100%和50%左右,收敛缝型孔冷却效率受旋转雷诺数的影响较小;旋转状态下扇形孔冷却效果与收敛缝型孔相当,仍然优于圆孔。

关键词：涡轮叶片异型孔气膜冷却旋转雷诺数数值模拟

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异型孔件注射模的多向斜抽芯与斜推出设计

现代塑料加工应用 2022年第2期34卷 43-47页

作者：熊毅屈保中河南省材料成形装备智能技术工程研究中心河南南阳473009 河南工业职业技术学院机械工程学院河南南阳473009

分析了中心罩塑件异型孔和侧向凸凹的复杂结构,确定了抽芯机构的抽芯角度、斜导柱长度等关键尺寸。针对脱模方向倾斜问题,用液压驱动斜推出机构完成产品脱模。最后,通过对型腔错位布局,有效减小了模具尺寸,完成了一模两腔模具结构。

关键词：异型孔斜抽芯顺序运动斜推出

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异型孔空心叶片壁厚检测的试验研究

宇航计测技术 1994年第6期13卷 12-15页

作者：冯凯杨有粮西北工业大学

发动机叶片的结构型式和制造误差，直接影响发动机的性能和使用寿命。运用超声波法和电涡流法，对两种不同材料和形式的试件进行了试验。电涡流法受到探头直径和试件几何尺寸的影响，测量误差大，超声波法由于存在测量盲区，测量厚度的... 详细信息

发动机叶片的结构型式和制造误差，直接影响发动机的性能和使用寿命。运用超声波法和电涡流法，对两种不同材料和形式的试件进行了试验。电涡流法受到探头直径和试件几何尺寸的影响，测量误差大，超声波法由于存在测量盲区，测量厚度的下限受到限制。但测量值与实际值相关，若对探头加以改进，用于异型孔空心叶片壁厚检测是可行的。

关键词：异型孔空心叶片厚度测量超声波航空发动机

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涡轮连接单元异型孔应力场分析及结构优化

涡轮连接单元异型孔应力场分析及结构优化

作者：张超南京航空航天大学

学位级别：硕士

高压涡轮转子组件是航空发动机的重要组成部分，组件包括涡轮盘前轴、封严篦齿盘及高压涡轮盘。高压涡轮盘是转子组件的主要承力部件，并通过过盈嵌入式安装边-螺栓结构与其它部件连接。涡轮盘安装边螺栓孔常由于应力集中而成为轮盘的... 详细信息

高压涡轮转子组件是航空发动机的重要组成部分，组件包括涡轮盘前轴、封严篦齿盘及高压涡轮盘。高压涡轮盘是转子组件的主要承力部件，并通过过盈嵌入式安装边-螺栓结构与其它部件连接。涡轮盘安装边螺栓孔常由于应力集中而成为轮盘的失效多发部位。本文研究涡轮组件连接单元的复杂载荷作用对螺栓孔应力水平的影响，并采用异型螺栓孔结构以降低孔边应力集中。论文对涡轮结构受力状态、安装边细节尺寸、异型孔轮廓尺寸进行了全面分析，并对异型孔进行优化设计，完成工作如下：(1)通过研究发动机涡轮离心载荷、轴向载荷、配合面载荷(包括装配载荷和传扭载荷)对涡轮盘安装边螺栓孔应力水平的影响，比较了圆形螺栓孔与异型螺栓孔应力水平差异，为建立合理的高压涡轮盘螺栓异型孔优化模型提供了理论依据。(2)通过研究圆孔及异型孔倒角参数，以及安装边厚度对涡轮盘安装边螺栓孔应力水平的影响证明，在满足零部件装配要求的前提下，尺寸较小的倒角以及恰当的安装边厚度，可一定程度上改善异型螺栓孔边应力水平。(3)对涡轮盘安装边及封严盘异型螺栓孔轮廓进行了优化，得到了合理的异型孔轮廓参数;优化结果表明，设计合理的异型孔能够显著降低孔边的最大应力值，缓解孔边的应力集中。(4)采用蒙特卡洛随机取样及有限元方法，系统分析异型螺栓孔各参数与孔边主应力水平的相关关系。通过非线性数据拟合，建立了两变量异型孔设计参数与孔边应力的关联关系，为确定双变量异型孔结构设计参数取值区间提供了依据。(5)通过对异型孔及圆孔结构的高温疲劳对比试验，验证了采用异型孔结构的合理性。

关键词：高压涡轮转子组件异型孔结构应力分析结构优化设计参数灵敏度分析高温疲劳试验

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轴端异型孔的挤压成形研究

轴端异型孔的挤压成形研究

作者：姬程程重庆理工大学

学位级别：硕士

现代机械行业的零部件中,带有异型孔的轴类零件应用十分广泛。国内异型孔的研究并不多,异型孔的加工成形通常有以下三种方式：第一是塑形成形法,如铸、锻、冲压等：第二是机械加工法,如镗、车等;第三是特种成形法,如线切割、电火花、激... 详细信息

现代机械行业的零部件中,带有异型孔的轴类零件应用十分广泛。国内异型孔的研究并不多,异型孔的加工成形通常有以下三种方式：第一是塑形成形法,如铸、锻、冲压等：第二是机械加工法,如镗、车等;第三是特种成形法,如线切割、电火花、激光加工等。本文的研究对象为轴端带方孔的传动轴,原生产工艺为先预钻孔再四次冲方。完成一个零件的冲方加工需要连续更换四次冲方凸模,拆卸一次压紧套。这种加工工艺不但生产效率低,尺寸精度不高,更重要的是材料利用率只有69.2%。因此,本文希望采用冷挤压成形工艺加工该传动轴。通过对该传动轴特点的分析,得出其成形工艺方案,并按照最优工艺方案设计该传动轴的冷挤压件图及其模具图。建立轴端带方孔的传动轴冷挤压成形的三维塑性有限元模型,再以Deform-3D为平台,对其成形过程进行模拟分析。并通过修改个别参数,对比分析各个参数的影响。通过观察坯料整体的流动趋势和方形凸模的磨损情况,确定最佳挤压速度和模具参数。根据最终的模具图制作模具,进行工艺实验,以证明工艺的真实性与可行性。本文将上述内容分为五章进行论述：第一章：对冷挤压的概况进行介绍,明确本课题的任务;第二章：对冷挤压工艺进行系统的分析,确定本课题的工艺方案;第三章：设计出适合该工艺方案的模具;第四章：对工艺方案进行数值模拟分析,优化模具结构及工艺参数;第五章：对优化后的结果进行工艺实验验证,分析实验结果。

关键词：异型孔冷挤压模具设计数值模拟

基于连续/离散变量的异型孔多目标均衡优化研究

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基于连续/离散变量的异型孔多目标均衡优化研究

作者：韩佳欣南京航空航天大学

学位级别：硕士

异型螺栓孔是航空发动机高压涡轮转子部件连接结构中采用的一种新型结构。国外先进发动机的设计实践表明,利用结构优化设计方法给出的合理的异型螺栓孔结构可有效地降低孔边应力,从而大大提高轮盘的疲劳寿命。在国内,近年来针对异型螺... 详细信息

异型螺栓孔是航空发动机高压涡轮转子部件连接结构中采用的一种新型结构。国外先进发动机的设计实践表明,利用结构优化设计方法给出的合理的异型螺栓孔结构可有效地降低孔边应力,从而大大提高轮盘的疲劳寿命。在国内,近年来针对异型螺栓孔结构优化设计的研究也取得了一定进展,所提出的异型孔模型及优化模型在降低螺栓孔边应力时效果明显。但问题并未全部解决。由于已有的异型孔结构优化模型目标单一,约束条件过少,由此所获得的最优解质量不高,优化结果的稳定性也较差。有鉴于此,本文针对异型孔结构模型、优化模型和优化方法设计方面进行了深入的研究。论文主要内容如下:分别基于连续变量和离散变量提出了适用于异型螺栓孔结构设计的多目标优化模型。论文基于均衡设计的思想,针对不同变量类型,分别采用NSGA-II算法和动态权系法对异型孔轮廓设计模型进行寻优,使设计解可在充分降低孔边应力的同时,避免了过度设计。论文通过对某航空发动机高压涡轮螺栓连接单元的轮盘受力特点的分析,确定了适用于涡轮盘和封严盘结构异型螺栓孔优化的力学模型;论文通过分析超椭圆和八圆弧异型孔轮廓参数变化对孔边应力的影响,发现异型孔优化设计点集合中,存在应力缓降的“准弱极小值”区间。为此在异型螺栓孔多目标优化模型中,引入应力和“异型度”约束指标。该模型在寻求孔边应力降低到既定值的同时,可对异型孔轮廓变化进行有效的控制,由此达到均衡设计的目的;论文通过研究盘螺栓通孔结构特点,构建了基于连续变量的超椭圆和八圆弧异型孔多目标优化模型,来解决异型孔优化时的“准弱极小值”问题;论文并运用NSGA-II算法对两种异型孔结构模型进行寻优,给出了基于连续变量的涡轮盘和封严盘异型螺栓孔优化设计结果;考虑到异型孔工业标准化设计及加工的需要,论文还专门针对八圆弧异型孔构建了基于离散变量的多目标优化模型,并在模型中设计了整数替代编码方法和动态权系数生成方法。前者可保证设计变量满足工业加工标准,后者权重系数可随设计变量的定义域变化而动态生成,有效提高了优化结果的均衡性和稳定性。论文最后还对不同优化方法和优化模型所得异型孔设计及其适用条件进行了比较分析。

关键词：异型孔准弱极小值均衡设计多目标结构优化离散变量优化动态加权系数法

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异型孔等离子切割工艺改进与试验研究

金属加工（热加工） 2017年第4期 36-38页

作者：李晓冬刘学真周春陆崔健一汽解放青岛汽车有限公司

目前,机械制造领域的异形孔加工主要以等离子切割、激光切割等方式为主,通过采用数控编程系统,完成对切割路径的编辑,仿真等工作。本文以精细等离子切割方式为主,研究了汽车制造领域异形孔的切割方案,分析了常规方案影响断面质量主因是... 详细信息

目前,机械制造领域的异形孔加工主要以等离子切割、激光切割等方式为主,通过采用数控编程系统,完成对切割路径的编辑,仿真等工作。本文以精细等离子切割方式为主,研究了汽车制造领域异形孔的切割方案,分析了常规方案影响断面质量主因是弧束的起弧点和熄弧点重合,存在二次切割,进而导致断面质量超差。通过将起弧点和熄弧点优化为两个点,有效的解决了等离子弧束的二次切割问题,切割断面质量得到较大改观,为后续异型孔切割的工艺改进提供了参考。

关键词：等离子切割异型孔弧束二次切割