主动热管理下航空发动机过渡过程涡轮盘热载荷演化效应机理及失效风险控制

During the transient process of aeroengine, the failures occurs frequently because of the thermal loading changed drastically. As one of the core parts of aeroengine, turbine disk failure usually causes disastrous accident. Thus, controlling the transient thermal loading to reduce failure risk of turbine disk is the core problem to guarantee aircraft safety and is the key for future high-performance aeroengine development.. This project catches the essence of developing cooling structure of disk cavity and disk is thermal management. The thermal management technology is updated from passive management based on thermal protection to active management, and the mechanism of evolution effect of turbine disk thermal loading and failure risk control based on active thermal management are investigated during transient process. . In this study, the evolution effect model of thermal loading and zoning model of stress state in disk are built by theoretical analysis to reveal the harmful mechanism in transient process and obtain the functional principles and control rules of stress level under active thermal management. A noncontact rotational thermal-structure deformation measurement system based on digital image correlation (DIC-2D) technology is established and the data identification and modification methods are proposed to accurate measuring stress-strain and experimental validating the evolution and control rules of thermal loading on high-rotating disk. Through expanding the currently risk assessment method of turbine disk to transient process, this developed method is introduced the assessment process of thermal loading evolution effect and the control effect for disk failure risk based on active thermal management is evaluated in transient process.

航空发动机过渡过程由于热载荷剧烈变化是导致该阶段故障频发的关键，其中涡轮盘的失效往往带来灾难性后果，控制过渡过程涡轮盘上热载荷以降低轮盘失效风险，是未来高安全性航空发动机研制的核心问题。本项目抓住不断进步的冷却技术及涡轮盘（腔）结构是对轮盘上热载荷加以管理的本质，将从热防护出发的涡轮盘被动热管理上升到主动热管理层面，对主动热管理下涡轮盘过渡过程热载荷演化效应机理及轮盘失效风险控制机理开展研究。项目拟在前期稳态条件下热管理研究的基础上，通过建立涡轮盘热载荷演化效应理论模型及三维应力状态分区模型，揭示过渡过程危险机理及主动热管理下应力水平控制机理；建立基于二维数字图像（2D DICM）的非接触式旋转轮盘瞬态高精度应力-应变测试系统，提出数据识别和修正方法，验证主动热管理下热载荷演化及控制规律；将基于稳态的涡轮盘失效风险分析方法扩展到过渡过程，实现主动热管理下过渡过程轮盘失效风险的控制效果评估。

涡轮盘作为失效必然产生灾难性事故的航空发动机核心安全件，过渡过程由于热载荷剧烈变化是导致该阶段涡轮盘故障频发的关键，控制过渡过程涡轮盘上热载荷以降低轮盘失效风险，是未来高安全性航空发动机研制的核心问题。本项目抓住不断进步的冷却技术及涡轮盘（腔）结构是对轮盘上热载荷加以管理的本质，将从热防护出发的涡轮盘被动热管理上升到主动热管理层面，对主动热管理下涡轮盘过渡过程热载荷演化效应机理及轮盘失效风险控制机理开展研究。. 项目首先建立涡轮盘热载荷演化理论模型及应力状态分区模型，揭示过渡过程危险机理及主动热管理下应力水平控制机理；然后发展非接触式旋转轮盘瞬态高精度应力-应变测试系统，形成数据修正方法，验证主动热管理下热载荷演化及控制规律；最后，将基于稳态的涡轮盘失效风险分析方法扩展到过渡过程，实现主动热管理下过渡过程轮盘失效风险的控制效果评估。. 结果显示：1）热载荷演化效应理论模型解决了以非定常热应力演化表征的热量迁移规律及作用机理的数学描述问题，刻画并获得过渡过程复杂热-离心应力耦合下的相互作用规律；突破长期困扰非接触测量应用于高速旋转部件的难题，验证模型的准确性并为复杂温度梯度变化下的热应力精确捕捉提供了新的途径；2）进一步发展涡轮盘热量迁移寻优模型，揭示热应力演化对轮盘应力状态的影响规律，获得依据最优应力状态对应热载荷变化范围的热量迁移优化方案，形成主动热管理控制新思路；3）突破过渡过程复杂热量迁移下的失效风险分区概率计算问题，实现全寿命期安全性定量评估，并精确定位失效关键区域。. 研究成果应用于中国航发湖南动力机械研究所WZ16 民用航空涡轴发动机涡轮盘的预期寿命期安全性评估；发表SCI论文10篇，EI和核心期刊论文4篇，获批发明专利/软件著作权6项，出版《航空发动机安全性设计导论》专著1部；获2020年“航空强国中国心”突出贡献一等奖，2020年国防科学技术进步一等奖，2019年中国民用航空局科技创新拔尖人才。