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镍基单晶涡轮叶片蠕变特性研究

作　者: 姚程
导　师: 刘占生
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 蠕变 CMSX-4 涡轮叶片
分类号: TG115.57
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 277次
引　用: 3次
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内容摘要


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 3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。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。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-9
  1.2 单晶叶片蠕变特性研究现状  9-11
  1.3 高温耐热合金简介  11-13
  1.4 本文主要研究内容  13-15
第2章 涡轮空冷叶片流动换热研究  15-25
  2.1 引言  15
  2.2 NASA E~3 高压涡轮叶片  15-16
  2.3 叶片冷却形式  16-18
  2.4 热障涂层简介  18-20
  2.5 叶片流动换热分析  20-24
  2.6 本章小结  24-25
第3章 镍基单晶空冷叶片强度分析  25-40
  3.1 引言  25
  3.2 单晶材料的有限元法  25-29
    3.2.1 单晶材料强度分析方法  25-26
    3.2.2 材料坐标系123 下的本构关系  26
    3.2.3 总体坐标系xyz 下的应力—应变关系  26-27
    3.2.4 单元应变—位移关系  27-28
    3.2.5 单元刚度矩阵、载荷向量  28-29
  3.3 单晶叶片强度分析  29-39
    3.3.1 材料性能参数  30-31
    3.3.2 机械应力分析  31-33
    3.3.3 热应力分析  33-36
    3.3.4 热—机械耦合应力分析  36-38
    3.3.5 结果汇总  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章 镍基单晶叶片蠕变特性研究  40-65
  4.1 引言  40
  4.2 蠕变简介  40-43
  4.3 单晶材料蠕变特性  43-44
  4.4 单晶材料损伤机理  44-51
    4.4.1 应力断裂模型  46-47
    4.4.2 蠕变模型  47-48
    4.4.3 损伤等效应力  48-51
  4.5 单晶叶片蠕变研究  51-64
    4.5.1 材料介绍  51-52
    4.5.2 结果分析  52-64
  4.6 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-70
攻读学位期间发表论文  70-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属学（物理冶金） > 金属的分析试验（金属材料试验） > 机械性能（力学性能）试验 > 疲劳与蠕变试验、断裂韧性试验
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