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涡轮叶片的网格参数化方法及其寿命可靠性优化

雷婧宇 雷倩楠 李红宾 贾贝熙

雷婧宇,雷倩楠,李红宾,等. 涡轮叶片的网格参数化方法及其寿命可靠性优化[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(10):2651-2659 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0708
引用本文: 雷婧宇,雷倩楠,李红宾,等. 涡轮叶片的网格参数化方法及其寿命可靠性优化[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(10):2651-2659 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0708
LEI J Y,LEI Q N,LI H B,et al. A mesh parameterization method and life reliability-based optimization for turbine blade[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(10):2651-2659 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0708
Citation: LEI J Y,LEI Q N,LI H B,et al. A mesh parameterization method and life reliability-based optimization for turbine blade[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(10):2651-2659 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0708

涡轮叶片的网格参数化方法及其寿命可靠性优化

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0708
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:15829205876@163.com

  • 中图分类号: V2

A mesh parameterization method and life reliability-based optimization for turbine blade

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  • 摘要:

    涡轮叶片的寿命可靠性优化对保障发动机安全,提高发动机使用寿命具有重要意义。传统的确定性优化由于没有考虑不确定性因素的影响,其结果往往导致结构可靠性低,严重威胁发动机的安全。针对复杂的含气膜孔几何变量的涡轮叶片几何构型,提出局部参数化网格变形方法,在关注的叶片前缘部分采用六面体网格,并利用局部网格变形法实现其参数化变形,其他部分采用四面体网格,以缩短其网格划分时间,提高其网格划分效率。所提方法实现了不确定条件下的含气膜孔几何变量涡轮叶片的寿命可靠性优化,在满足可靠性约束和几何约束的条件下,使得涡轮叶片基于不确定性的寿命均值提高了18.36%。

     

  • 图 1  含气膜孔涡轮叶片示意图

    Figure 1.  Diagram of turbine blade with film hole

    图 2  网格模型示意图

    Figure 2.  Diagram of mesh model

    图 3  参数化区域示意图

    Figure 3.  Diagram of parametrized region

    图 4  正方形顶角示意图

    Figure 4.  Diagram of the corner of square

    图 5  正方形对角线与圆形交点示意图

    Figure 5.  Diagram of intersections

    图 6  网格变形图

    Figure 6.  Diagram of mesh deformation

    图 7  变形前后雅可比检查结果

    Figure 7.  Detection results of Jacobi before and after deformation

    图 8  最大工作状态叶身温度分布

    Figure 8.  Temperature distribution of turbine blade in the maximum working condition

    图 9  最大工作状态下的应力云图

    Figure 9.  Stress field in the maximum working condition

    图 10  寿命可靠性设计优化的流程图

    Figure 10.  Flow chart of life reliability-based design optimization

    图 11  完全解耦法建立代理模型的流程图

    Figure 11.  Flow chart of the surrogate model using full decoupling method

    表  1  ANSYS软件网格质量检查结果

    Table  1.   Results of mesh quality check from ANSYS software

    检查指标网格数量占比/%
    (低质量+畸形)
    检查总数低质量畸形
    长宽比2 283 3642400
    平行偏差188 3931000.01
    最大角度2 283 36420100.01
    雅可比2 283 364000
    翘曲因子188 393000
    合计2 283 36423500.01
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    表  2  DZ125合金的材料属性

    Table  2.   Material properties of DZ125 alloy

    温度T/℃弹性模量$E/{\text{GPa}} $ 泊松比$\nu $ 剪切模量$ G/{\text{GPa}} $ 线膨胀系数$ \alpha $/℃−1
    横向纵向横向纵向横向纵向横向纵向
    20176.5127.0 0.260.410 70.0107.0 12.2712.45
    500161.5112.50.270.41063.5101.513.0313.26
    600151.5108.50.270.41559.597.513.3913.53
    700145.5104.50.290.43056.592.513.9114.04
    800139.5102.00.290.43052.590.514.4314.55
    900135.097.00.30.43552.089.014.9615.06
    1000123.089.00.310.45046.572.515.8416.02
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    温度T/℃密度ρ/(kg·m−3热导率$\lambda $/(W·(m·℃)−1)屈服强度$\sigma_{0.2}/{\rm{MPa}} $拉伸极限$\sigma_{b}/{\rm{MPa}} $
    横向纵向横向纵向
    20857084098510901320
    50014.99
    60016.79
    70017.967759309751220
    80019.637859339331130
    90019.51665580808850
    100019.43420395560575
    注:下标b表示抗拉强度。
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    表  3  发动机典型循环载荷谱

    Table  3.   Typical cycle load spectrum of the aeroengine

    工作循环工作转速/
    (r·min−1)
    每900 h
    循环次数
    每周运行
    时间/min
    启动-最大-停车0,21842,0101453.25
    慢车-最大-慢车11125,21842,111251190 3.80
    巡航-最大-巡航13357,21842,133571053 0.33
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    表  4  叶片校核点处的热力耦合分析响应

    Table  4.   Thermal-mechanical response at the check point of the turbine blade

    工作状态转速/(r·min−1)温度T/℃最大等效应力 $ \sigma {\text{/MPa}} $总应变$ \varepsilon $
    最大状态21 842817.307 5796.075 20.0111
    慢车状态11 125659.808 7352.165 40.002 7
    巡航状态13 357663.506 6461.846 80.003 6
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    表  5  叶片校核点处的振动响应

    Table  5.   Vibration response at the check point of the turbine blade

    工作状态转速/(r·min−1)激振频率/Hz最大等效振动应力$ \sigma {\text{/MPa}} $
    最大状态21 8425096.466 7178.324 1
    慢车状态11 1252595.833 315.3682
    巡航状态13 3573116.633 317.1643
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    表  6  涡轮叶片寿命可靠性优化结果

    Table  6.   Life reliability-based optimization results for turbine blade

    类型$r$/mm$d$/mm$ \mu \left( N \right) $
    初值0.215013081
    优化值0.214−0.19915483
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-24
  • 录用日期:  2022-03-14
  • 网络出版日期:  2022-05-09
  • 整期出版日期:  2023-10-31

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