留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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

More Information
  • 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
    下载: 导出CSV

    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 $/℃−1
    横向纵向横向纵向横向纵向横向纵向
    20176.5127.0 0.260.410 70.0107.0 12.2712.45
    500161.5112.50.270.41063.5101.513.0313.26
    600151.5108.50.270.41559.597.513.3913.53
    700145.5104.50.290.43056.592.513.9114.04
    800139.5102.00.290.43052.590.514.4314.55
    900135.097.00.30.43552.089.014.9615.06
    1000123.089.00.310.45046.572.515.8416.02
    下载: 导出CSV
    温度T/℃密度ρ/(kg·m−3热导率$\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。
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 赵福星, 李伟. 国产涡喷发动机叶片断裂故障排故实践[C]//航空发动机叶片故障及预防研讨会论文集, 2005: 144-148.

    ZHAO F X, LI W. Practice on fracture failure troubleshooting for domestic turbojet engine blades[C]//Proceedings of Aeroengine Blade Failure and Prevention Seminar, 2005: 144-148(in Chinese).
    [2] 王卫国. 轮盘低循环疲劳寿命预测模型和试验评估方法研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2006.

    WANG W G. Research on prediction model for disc LCF life and experiment assessment methodology[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2006 (in Chinese).
    [3] SOKOLOWSKI D E. Toward improved durability in advanced aircraft engine hot sections[C]//Proceedings of the Thirty-third ASME International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. New York: ASME, 1988
    [4] JUVINALL R C. Engineering considerations of stress, strain, and strength[M]. New York: McGraw-Hill, 1967.
    [5] LEWIS B L, BECKWITH L R. A unified approach to turbine blade life prediction[C]//SAE Technical Paper Series. Warrendale: SAE International, 1982.
    [6] 段巍, 安利强, 徐飞. 基于随机有限元——一次二阶矩法的汽轮机叶片可靠度计算[J]. 华北电力大学学报, 2004, 31(3): 104-107.

    DUAN W, AN L Q, XU F. Reliability calculation of steam turbine blade based on SFEM and mean-variance method[J]. Journal of North China Electric Power University, 2004, 31(3): 104-107(in Chinese).
    [7] 段巍, 王璋奇. 基于响应面方法的汽轮机叶片静动频概率设计及敏感性分析[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(20): 12-17.

    DUAN W, WANG Z Q. Probability design of static frequency and dynamic frequency for steam turbine blade and sensitivity analysis based on the response surface method[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(20): 12-17(in Chinese).
    [8] 费成巍, 白广忱. 航空发动机涡轮叶片径向变形的概率分析[J]. 航空发动机, 2012, 38(1): 17-20.

    FEI C W, BAI G C. Probabilistic analysis of turbine blade radial deformation for aeroengine[J]. Aeroengine, 2012, 38(1): 17-20(in Chinese).
    [9] 周平, 白广忱. 基于神经网络与果蝇优化算法的涡轮叶片低循环疲劳寿命健壮性设计[J]. 航空动力学报, 2013, 28(5): 1013-1018.

    ZHOU P, BAI G C. Robust design of turbine-blade low cycle fatigue life based on neural networks and fruit fly optimization algorithm[J]. Journal of Aerospace Power, 2013, 28(5): 1013-1018(in Chinese).
    [10] 李磊, 李宏林, 杨子龙, 等. 基于网格参数化变形的单级涡轮多学科可靠性设计优化[J]. 航空动力学报, 2019, 34(8): 1764-1772.

    LI L, LI H L, YANG Z L, et al. Reliability based multidisciplinary design optimization of single turbine stage based on parameterized mesh deformation[J]. Journal of Aerospace Power, 2019, 34(8): 1764-1772(in Chinese).
    [11] TRUONG A H, OLDFIELD C A, ZINGG D W. Mesh movement for a discrete-adjoint newton-krylov algorithm for aerodynamic optimization[J]. AIAA Journal, 2008, 46(7): 1695-1704. doi: 10.2514/1.33836
    [12] 周正贵. 高亚声速压气机叶片优化设计[J]. 推进技术, 2004, 25(1): 58-61.

    ZHOU Z G. Optimization of high subsonic axial compressor blades[J]. Journal of Propulsion Technology, 2004, 25(1): 58-61(in Chinese).
    [13] 李立州, 王婧超, 韩永志, 等. 基于网格变形技术的涡轮叶片变形传递[J]. 航空动力学报, 2007, 22(12): 2101-2104.

    LI L Z, WANG J C, HAN Y Z, et al. Displacement transfer with the mesh deformation method in multidisciplinary optimization of turbine blades[J]. Journal of Aerospace Power, 2007, 22(12): 2101-2104(in Chinese).
    [14] 史振. 燃气涡轮叶片复合冷却结构参数化设计与数值研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.

    SHI Z. Parametric design and numerical research of gas turbine cooling structure[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015 (in Chinese).
    [15] 杨帆. 基于网格参数化的涡轮冷却叶片可靠性多学科设计优化[D]. 西安: 西北工业大学, 2016.

    YANG F. Multidisciplinary design optimization of turbine cooling blade reliability based on grid parameterization[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2016 (in Chinese).
    [16] 岳孟赫, 刘勇, 刘闯, 等. 涡轮冷却叶片参数化造型与网格自动生成[J]. 航空发动机, 2017, 43(6): 15-20.

    YUE M H, LIU Y, LIU C, et al. Parameterized molding design and grid auto-generation for cooling turbine blade[J]. Aeroengine, 2017, 43(6): 15-20(in Chinese).
    [17] 凌春燕, 吕震宙, 员婉莹. 失效概率函数求解的高效算法[J]. 国防科技大学学报, 2018, 40(3): 159-167.

    LING C Y, LYU Z Z, YUAN W Y. Efficient method for failure probability function[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2018, 40(3): 159-167(in Chinese).
    [18] ECHARD B, GAYTON N, LEMAIRE M. AK-MCS: An active learning reliability method combining kriging and monte carlo simulation[J]. Structural Safety, 2011, 33(2): 145-154. doi: 10.1016/j.strusafe.2011.01.002
  • 加载中
图(11) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  293
  • HTML全文浏览量:  19
  • PDF下载量:  31
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答