基于DCRSM的HPT叶尖径向运行间隙可靠性分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252013V01．34No．92141-2149ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cndoi：10．7527／S1000—6893．2013．0342基于DCRSM的HPT叶尖径向运行间隙可靠性分析费成巍，白广忱*北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191摘要：为了有效地进行航空发动机高压涡轮(HPT)叶尖径向运行间隙(BTRRC)设计，从概率

2、的角度进行BTRRC的可靠性分析。根据BTRRC的结构特点，提出了高精度、高效率可靠性分析的分布式协同响应面法(DCRSM)，以二次响应面函数为基础建立了DCRSM数学模型，并将DCRSM应用到航空发动机HPTBTRRC的可靠性分析中加以验证。结果显示：当稳态叶尖间隙d=1．86mm时，BTRRC的可靠度为0．9968，综合考虑发动机效率和可靠性，基本上满足BTRRC的设计和工程需要。通过方法比较显示了DCRSM在BTRRC可靠性分析中，不但能解决难以分析的问题，还能在保证计算精度的前提下提高计算速度和计算效率；充分验证了D

3、CRSM在BTRRC可靠性分析中的有效性和可行性，为复杂机械可靠性分析和优化提供了有效依据。关键词：航空发动机；高压涡轮；叶尖径向运行间隙；多对象多学科；可靠性；分布式协同响应面法中图分类号：V231．95；THl22文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)09—2141—09高压涡轮(HighPressureTurbine，HPT)叶尖径向运行间隙(Blade—tipRadialRunningClearance，BTRRC)对航空发动机的性能、效率、可靠性和安全性都有着非常重要的影响[1]，它的设计与控制技术

4、是研制高性能、高可靠性航空发动机所必须的关键技术之一[2q]。在发动机一个工作循环中，BTRRC受机械载荷和热载荷等方面诸多因素影响，随工作状态的不同而变化n。8]，所以合理的分析方法无疑是进行BTRRC设计与控制的基础。尽管国内外已经利用商用分析软件对BTRRC进行了数值分析[1’1“，但这些工作都是基于确定性分析的，只用留出裕度的方法来保证系统的安全性，忽略了影响BTRRC的各方面因素的随机性，因而具有很大的盲目性。事实上，影响叶尖间隙各构件静态响应和动态响应的诸多因素都具有很明显的随机性，使得发动机在某一运行时刻的BT

5、RRC是随机变量，随时间变化的BTRRC是随机过程。因此，在BTRRC设计分析中，应当考虑各种随机因素，研究运行间隙概率分析，才能更客观准确地描述BTRRC的变化规律，提高BTRRC设计和控制的合理性。概率分析已在水利、土木建筑、地质等领域[15。183广泛应用，近年来也开始应用于机械结构的灵敏度分析、不稳定性分析和风险评估[19。踟等领域，出现了以响应面法(ResponseSurfaceMethod，RSM)为基础的多种概率分析方法[17‘18’23。26

6、，但目前还没发现BTRRC可靠性分析方面的工作。BTRRC是由涡轮

7、盘、叶片和机匣等装配对象的瞬态径向变形共同决定的，而且还涉及多个学科，所以在BTRRC设计分析中，需收稿日期：2012-10·08；退修日期：2012—12-11；录用日期：2012-12-25；网络出版时间：2012-12-2709：18网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20121227．0918001．html基金项目：国家自然科学基金(51175017)；北京航空航天大学博士生创新基金；高等学校博士学科点专项科研基金*通讯作者Tel．：010-82317418E-mai

8、l：dlxbgc@buaa．edu．CR鳓甩格武IFeiCW，BaiGC．Reliabilityanalys『sforHPTblade-tipradialrunningclearancebasedonDCRSM．ActaAeronauticaetAstro—nauticaSinica，2013，34(9)：214I-2149．费戒巍．白广愧．基fDCRSM的HPTd-尖径向运行闻嘹可靠性分析．航空学报．2D13，34(9)：214I-2149．航空学报要进行多对象多学科(Multi—objectMulti—disci—pli

9、nary，MOMD)的协同响应分析。显然，与一般结构可靠性分析相比，BTRRC可靠性分析要复杂得多，涉及MOMD、材料非线性和变量的个数成倍增加的问题。并且BTRRC可靠性分析需要成千上万次重复计算，如果直接利用RSM进行BTRRC可靠性分析，则其计算效率和计算精度难以接受。如果这两个难点