燃?xì)廨啓C(jī)作為現(xiàn)代高端動(dòng)力裝備,在軍民各領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。隨著對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率和比功率的要求越來(lái)越高,透平前溫度不斷提高,目前先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的透平前溫度已經(jīng)可以達(dá)到1800K。燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片長(zhǎng)期工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中,加之葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其應(yīng)力狀態(tài)極為復(fù)雜,成為燃機(jī)中最易發(fā)生故障的部件之一。在現(xiàn)代透平葉片設(shè)計(jì)中,必須綜合考慮其氣動(dòng)、強(qiáng)度和壽命等各方面性能,才能滿足燃機(jī)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)壽命、高可靠性要求。本文針對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)高壓透平動(dòng)葉進(jìn)行了流熱固耦合數(shù)值模擬研究,并在此基礎(chǔ)上對(duì)其靜強(qiáng)度和蠕變壽命進(jìn)行計(jì)算分析。首先通過(guò)流熱耦合模擬,對(duì)透平第二級(jí)動(dòng)葉氣熱特性進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明,葉片金屬最高溫度約為高溫合金材料熔點(diǎn)的70%,位于葉片前緣頂部。葉片主流進(jìn)口的溫度分布對(duì)葉片尾緣金屬溫度分布產(chǎn)生了比較明顯的影響,使得尾緣溫度分布呈現(xiàn)中間高,兩端低的特點(diǎn)。在氣熱耦合計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,基于熱固耦合的方法,對(duì)高壓透平兩級(jí)動(dòng)葉片進(jìn)行了熱彈塑性有限元計(jì)算,求解得到其應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。結(jié)果表明:1)兩級(jí)葉片的高應(yīng)力區(qū)主要在榫頭位置,葉身和端壁的應(yīng)力相對(duì)較小,并且都在第一榫齒處發(fā)生了應(yīng)力集中,應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力均超過(guò)了相應(yīng)溫度下的材料屈服強(qiáng)度,應(yīng)當(dāng)引起注意。2)離心載荷對(duì)兩級(jí)動(dòng)葉片的應(yīng)力分布影響顯著。在離心力及離心力形成的彎矩作用下,兩級(jí)葉片的等效應(yīng)力均出現(xiàn)了沿徑向減小以及吸力面大于壓力面的分布趨勢(shì)。3)溫度載荷對(duì)氣膜孔以及尾緣等溫度梯度大的區(qū)域的應(yīng)力分布影響比較明顯。在獲得了溫度和應(yīng)力結(jié)果之后,采用拉森-米勒參數(shù)法對(duì)兩級(jí)動(dòng)葉片的蠕變壽命進(jìn)行了計(jì)算,得到了蠕變壽命分布云圖。結(jié)果表明:第一級(jí)動(dòng)葉金屬溫度較高,其蠕變壽命受溫度影響大于應(yīng)力影響,低壽命區(qū)域主要發(fā)生在葉身的高溫區(qū);而二級(jí)動(dòng)葉的蠕變壽命受兩者影響程度接近,壓力面受溫度影響較大,吸力面受應(yīng)力影響較大。此外,兩級(jí)動(dòng)葉片的壽命最短位置都不是應(yīng)力最大位置或者溫度最高位置,說(shuō)明蠕變壽命受溫度和應(yīng)力共同影響,采用形成壽命云圖的處理方法能更加準(zhǔn)確直觀地找到蠕變壽命最短的位置。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TK473
【部分圖文】：

?２０３５??Ｙｅａｒ??圖１．１透平進(jìn)口溫度發(fā)展趨勢(shì)—??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｔｒｅｎｄ?ｏｆ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｉｎｌｅｔ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??透平葉片作為高溫、高載荷、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的典型熱端部件，其性能和可靠性直??接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、耐久性、可靠性和壽命，透平葉片的壽命對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)??的壽命有著極大的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的失效試件中，轉(zhuǎn)子葉片占??７０％?以上［１３］。??／?Ａｅｒｏ?Ｄｅｓｉｇｎ?、．?＇、?ｙ?Ｉ?Ｌｉｆｅ?＼??？?Ｆｌｏｗｐａｔｈ?）?＾?＾?｜?．?Ｍｉｓｓｉｏｎ?ｍｉｘ?］??＼?－Ａｉｒｆｏｉｌｓ?／?＼?－ＬＣＦ??Ｃｏｓｔ?Ｒｃｐａｉｒａｂｌｌｉｔｙ?＼??＞—、?』?，—Ａ??／?＼?Ｃｏｍｒｒ｜ｏｎａＵｔｙ?Ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ?／?＼??！?Ｍａｔｅｒｉａｌｓ?、?／?Ａｅｒｏ＊?＼??？?Ｂａｓｅ?ｍｅｔａｌ?Ｍａｎｕｌｊｔ?ｌｕｒｉｎｇ?Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ?ｉ?Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?＇??ｉ?？?Ｃｏａｔｉｎｇｓ?ｊ?＼?？?ＨＣＦ?ｊ??＼?？?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ?Ｊ?＼?？?Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ?Ｊ??、?Ｔｈｅｒｍａｌ?／??＼：?Ｄｅｓｉｇｎ?＾?Ｍｅｃｈ．?ＤｃＭ〇ｎ?＼?．??？?－Ｂｕｌｋ?Ｔｅｍｐ?Ｉ?？Ｓｔｒｅｓｓｅｓ?ｊ??＼?？?Ｍａｘ．Ｔ?／?Ｖ?？?Ｃｒｅｅｐ?ｊ??％?Ｗｃ??圖１．２透平設(shè)計(jì)循環(huán)圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｃｙｃｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｄｅｓｉｇｎ??透平葉片的設(shè)計(jì)集中體現(xiàn)著高可靠性、長(zhǎng)壽命和輕量化于一身的特點(diǎn)

＼?？?Ｍａｘ．Ｔ?／?Ｖ?？?Ｃｒｅｅｐ?ｊ??％?Ｗｃ??圖１．２透平設(shè)計(jì)循環(huán)圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｃｙｃｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｄｅｓｉｇｎ??透平葉片的設(shè)計(jì)集中體現(xiàn)著高可靠性、長(zhǎng)壽命和輕量化于一身的特點(diǎn)，是燃??２??

固體應(yīng)力應(yīng)變相互作用的熱－固耦合，以及流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)呦??互作用的流－熱－固耦合問(wèn)題。每一種耦合關(guān)系在其發(fā)展過(guò)程中，都各自形成了相??應(yīng)的獨(dú)立學(xué)科分支，其相互關(guān)系如圖１．３所示。??傳熱??熱流體學(xué)ｆ廣＾＾＾＼彈性力學(xué)??／?（＾）?＼???????流動(dòng)?結(jié)構(gòu)??Ｊ?氣動(dòng)彈性力學(xué)?一＿———??圖１．３流熱固多場(chǎng)耦合分類(lèi)??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｆｌｕｉｄ－ｔｈｅｒｍａｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｍｕｌｔｉ?ｆｉｅｌｄｓ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ?ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ??從計(jì)算方法的角度來(lái)看，多場(chǎng)耦合又可以分為強(qiáng)耦合和弱耦合。強(qiáng)耦合在流??體域和固體域同時(shí)求解方程組的各類(lèi)方程，這種方法計(jì)算穩(wěn)定，不存在時(shí)間滯后??問(wèn)題，但計(jì)算花費(fèi)巨大。而弱耦合則是采用每個(gè)增量步內(nèi)交替求解各個(gè)物理量的??控制方程，并在各場(chǎng)的交界面通過(guò)差值運(yùn)算交換信息。這種在每個(gè)增量步內(nèi)解耦??的弱耦合解法在物理量梯度大的情況下，可能會(huì)引起求解不穩(wěn)定。但該方法的優(yōu)??勢(shì)在于，各物理量求解過(guò)程相互獨(dú)立，可以最大化地利用己有數(shù)值分析的方法和??程序，縮短計(jì)算時(shí)間，??根據(jù)耦合交界面處數(shù)據(jù)傳遞的方向
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2836813