镍基单晶涡轮叶片蠕变特性研究

摘要

现代燃气轮机通过不断提高涡轮入口温度，来实现高效率、零排放的目标。先进燃气涡轮的入口温度可超过1700K。一般金属无法在如此高的温度下工作，需要采用抗高温蠕变、热疲劳性能优良的镍基单晶耐热合金作为叶片材料，同时采用适当的涡轮叶片热防护措施。预测、提高镍基单晶耐热合金的高温蠕变寿命成为涡轮叶片设计优化的关键技术。
　　本文使用基于叶片通道三维流场、有限元结构分析和损伤力学理论等方法，模拟了工作温度为1700K的涡轮叶片的蠕变演化过程。
　　根据NASA E发动机高压涡轮动叶片型线数据，构建三维涡轮空冷叶片模型。3基于计算流体动力学方法(CFD)，研究了涡轮叶片外部流动换热过程，获得了叶片表面的压力分布、温度分布和从热障涂层传递到叶片基体的热通量。
　　使用计算流体动力学与有限单元耦合的方法，获得涡轮冷却动叶片的温度分布。考虑离心力载荷的作用，获得了涡轮叶片的应力分布。
　　使用基于损伤力学，CMSX-4材料的蠕变模型，研究涡轮叶片蠕变演化过程。使用立方对称材料的损伤等效应力表达式，将叶片模型中的多轴应力与损伤力学理论和实验数据中的一维应力关联起来。使用修正的Ansys蠕变用户子程序将CMSX-4材料的蠕变模型导入到Ansys软件中。找到了整个叶片最容易发生蠕变破坏的区域。

目录

中文封面

英文封面

摘要

Abstract

第 1 章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 单晶叶片蠕变特性研究现状

1.3 高温耐热合金简介

1.4 本文主要研究内容

第 2 章 涡轮空冷叶片流动换热研究

2.1 引言

2.2 NASA E3高压涡轮叶片

2.3 叶片冷却形式

2.4 热障涂层简介

2.5 叶片流动换热分析

2.6 本章小结

第 3 章 镍基单晶空冷叶片强度分析

3.1 引言

3.2 单晶材料的有限元法

3.3 单晶叶片强度分析

3.4 本章小结

第 4 章 镍基单晶叶片蠕变特性研究

4.1 引言

4.2 蠕变简介

4.3 单晶材料蠕变特性

4.4 单晶材料损伤机理

4.5 单晶叶片蠕变研究

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢