基于QC方法的高冷卻效果高渦導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)課件

1、基于QC方法的高冷卻效果高渦導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)公開項(xiàng)目背景小組基本情況0102成果發(fā)表03目錄發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇 壓氣機(jī) 主燃燒室 加力燃燒室 噴管 附件 渦輪 高壓渦輪葉片 高壓高溫一、項(xiàng)目背景QC小組一、項(xiàng)目背景QC小組定義QC小組是在生產(chǎn)或工作崗位上從事各種勞動(dòng)的職工，圍繞企業(yè)的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略，方針目標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，以改進(jìn)質(zhì)量、降低消耗、提高人的素質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益為目的組織起來(lái)，運(yùn)用質(zhì)量管理的理論和方法開展活動(dòng)的小組。 創(chuàng)新型QC小組的產(chǎn)生進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化和高新技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。為適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要，中國(guó)質(zhì)協(xié)組織專家進(jìn)行研討，借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，在原有“現(xiàn)場(chǎng)型”、“攻關(guān)

2、型”、“服務(wù)型”和“管理型”QC 小組類型的基礎(chǔ)上，提出了開展“創(chuàng)新型”QC 小組活動(dòng)的意見。創(chuàng)新型QC小組的特點(diǎn)它是小組成員運(yùn)用新的思維方式、創(chuàng)新的方法，開發(fā)新產(chǎn)品（項(xiàng)目、服務(wù)），實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的QC小組。這類小組課題大小、活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短、成果效益高低各不相同，活動(dòng)程序上與原程序有一定的差別，是對(duì)原有四種類型的一種補(bǔ)充。否創(chuàng)新型QC小組活動(dòng)流程P1、選擇課題2、設(shè)定目標(biāo)（目標(biāo)可行性分析）3、提出方案并確定最佳方案4、制定對(duì)策7、標(biāo)準(zhǔn)化6、確認(rèn)效果目標(biāo)達(dá)到?C是5、按對(duì)策表實(shí)施D8、總結(jié)和下一步打算A一、項(xiàng)目背景項(xiàng)目背景小組基本情況0102成果發(fā)表03目錄渦輪冷卻葉片Q C 小 組 歷 年 成 果

3、年度課題獎(jiǎng)項(xiàng)2012降低低壓渦輪一導(dǎo)葉片下緣板裝配徑向不重合度遼寧省國(guó)防科技工業(yè)優(yōu)秀QC小組一等獎(jiǎng)2013高冷卻性能渦輪一級(jí)導(dǎo)向葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中航工業(yè)優(yōu)秀質(zhì)量管理小組2014降低某單晶高壓渦輪氣冷葉片氣膜孔堵孔率遼寧省優(yōu)秀QC小組一等獎(jiǎng)2015提高某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向器排氣面積合格率沈陽(yáng)市質(zhì)量科技成果一等獎(jiǎng)二、小組基本情況聶東冰數(shù)據(jù)校驗(yàn)整理分析渦輪冷卻葉片QC小組屈云鳳數(shù)據(jù)采集、分析吳偉龍數(shù)據(jù)采集、分析吳向宇（副組長(zhǎng)）技術(shù)支持結(jié)果分析蘇航數(shù)據(jù)分析成果撰寫賀佳慧（組長(zhǎng)）組織協(xié)調(diào)成果撰寫萬(wàn)發(fā)君數(shù)據(jù)校驗(yàn)整理分析韓緒軍數(shù)據(jù)采集匯總分析朱可可數(shù)據(jù)采集匯總分析 徐景亮數(shù)據(jù)采集成果撰寫小組名稱渦輪冷卻葉片Q

4、C小組小組人數(shù)10人課題名稱高冷卻效果高渦導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)課題類型創(chuàng)新型活動(dòng)時(shí)間2016年312月注冊(cè)時(shí)間2016年3月注冊(cè)號(hào)QC2016090項(xiàng)目背景小組基本情況0102成果發(fā)表03目錄1選題理由高壓渦輪導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。當(dāng)前主要型號(hào)的冷卻效果約為0.65，本項(xiàng)目渦輪前溫度與所內(nèi)現(xiàn)有型號(hào)相比更為提高，因此對(duì)于高效強(qiáng)力的冷卻方式的需求越來(lái)越迫切。課題需求高效冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究是航空推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃 “十二五”項(xiàng)目的一項(xiàng)重要工作，要求在2016年完成結(jié)題，時(shí)間緊，任務(wù)重！當(dāng)前現(xiàn)狀選定課題高冷卻效果高渦導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)渦輪進(jìn)口溫度冷卻效果1715K0.65所內(nèi)某主要型號(hào)本項(xiàng)目渦輪葉片

5、渦輪進(jìn)口溫度冷卻效果1830K？2P222DCA2設(shè)定目標(biāo)2P222DCA01目標(biāo)值設(shè)定完成高冷卻效果高壓渦輪導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求中對(duì)葉片提出的各項(xiàng)指標(biāo)要求?？己隧?xiàng)指標(biāo)冷氣用量（%）13.3最高溫度（K）1450平均冷卻效果0.652設(shè)定目標(biāo)2P222DCA02可行性分析信心指數(shù)90%3提出方案并確定最佳方案2P222DCA01提出初步設(shè)計(jì)方案葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案親和圖葉型如何選?。坷鋮s結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)？2P222DCA3提出方案并確定最佳方案葉型方案葉型1：葉型較厚；氣動(dòng)性能好，尾緣根部位置存在輕微流動(dòng)分離。葉型2：葉型較薄，尾緣根部位置不存在流動(dòng)分離。葉身方案層板冷卻復(fù)合冷卻優(yōu)點(diǎn)：同時(shí)具有對(duì)

6、流、沖擊和氣膜三種冷卻方式，換熱面積較大；缺點(diǎn)：加工難度大；技術(shù)不成熟優(yōu)點(diǎn)：沖擊冷卻與氣膜冷卻結(jié)合，對(duì)流換熱系數(shù)高，冷卻效果好，技術(shù)成熟缺點(diǎn)：對(duì)葉身較薄的地方?jīng)_擊流動(dòng)效果差尾緣方案半劈縫中劈縫氣膜孔優(yōu)點(diǎn)：冷卻效果好；技術(shù)成熟缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜優(yōu)點(diǎn)：冷氣出流效果好；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜；技術(shù)不成熟優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：加工難度大；氣膜覆蓋范圍小緣板方案氣膜孔簸箕孔優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟缺點(diǎn)：氣膜覆蓋范圍小優(yōu)點(diǎn)：氣膜覆蓋范圍廣缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜；流量計(jì)算精度難判斷方案組合： 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)分析表3典型高溫區(qū)域型號(hào)A典型高溫區(qū)域型號(hào)B不通過(guò)不通過(guò)不通過(guò)氣動(dòng)性能冷卻效果工藝可行性

7、研制周期及成本高壓渦輪效率高。葉型較薄，面積較小，尖根面積比1.038。導(dǎo)向葉片尾緣根部位置不存在流動(dòng)分離。葉身氣膜覆蓋范圍大，冷卻效果較好；緣板氣膜覆蓋能力較弱。技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)周期短。鑄造、機(jī)加工藝成熟，研制周期短。2P222DCA提出方案并確定最佳方案氣動(dòng)性能冷卻效果工藝可行性研制周期及成本02初步方案評(píng)估最終方案方案19采用復(fù)合冷卻的方式控制葉片溫度采用圓形氣膜孔對(duì)緣板進(jìn)行冷卻選用葉型2進(jìn)行建模采用半劈縫的尾緣冷卻結(jié)構(gòu)形式3提出方案并確定最佳方案2P222DCA03確定最佳方案4制定對(duì)策2P222DCA序號(hào)設(shè)計(jì)要素對(duì)策目標(biāo)措施完成日期負(fù)責(zé)人1葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，根據(jù)已有高壓渦

8、輪導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)葉身、緣板等冷卻結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)。完成葉片詳細(xì)方案的冷卻結(jié)構(gòu)特征、接口尺寸設(shè)計(jì)，為后續(xù)的計(jì)算分析打好基礎(chǔ)。使用UG軟件完成葉身氣膜孔設(shè)計(jì)、尾縫設(shè)計(jì)、緣板設(shè)計(jì)、前后腔冷氣導(dǎo)管設(shè)計(jì)。2016.4.30賀佳慧吳向宇2燃?xì)鉁囟仍u(píng)估根據(jù)氣動(dòng)數(shù)據(jù)開展最大熱負(fù)荷狀態(tài)燃?xì)鈸Q熱系數(shù)、換熱溫度計(jì)算。完成葉片最大熱負(fù)荷狀態(tài)外換熱計(jì)算。使用5681程序完成最大熱負(fù)荷狀態(tài)換熱系數(shù)、換熱溫度計(jì)算2016.5.5朱可可萬(wàn)發(fā)君3冷氣流量特性分析利用多個(gè)程序、軟件完成葉片各冷氣進(jìn)、出口用氣量計(jì)算。完成葉片流量特性分析，為后續(xù)溫度評(píng)估及結(jié)構(gòu)改進(jìn)打下基礎(chǔ)。計(jì)算截面劃分2016.5.8賀佳慧流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖繪制201

9、6.5.13徐景亮單元類型選取2016.5.19屈云鳳邊界條件計(jì)算2016.5.26蘇航內(nèi)流與換熱計(jì)算分析2016.6.3吳偉龍4溫度場(chǎng)評(píng)估根據(jù)以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)對(duì)典型特征截面（距發(fā)動(dòng)機(jī)中心平面340mm）進(jìn)行二維溫度場(chǎng)計(jì)算。完成340mm截面溫度水平評(píng)估。計(jì)算模型建立和輸入2016.6.30賀佳慧韓緒軍網(wǎng)格劃分及分組邊界條件計(jì)算及輸入溫度場(chǎng)計(jì)算及后處理4制定對(duì)策2P222DCA實(shí)施一 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5對(duì)策實(shí)施2P222DCA01葉身冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后腔前腔擾流肋冷氣導(dǎo)管葉片表面布置圓形氣膜孔、簸箕孔作用：氣膜冷卻葉片內(nèi)壁設(shè)置擾流肋作用：增強(qiáng)換熱、固定導(dǎo)管內(nèi)腔設(shè)置冷氣導(dǎo)管作用：沖擊冷卻高導(dǎo)葉片冷卻結(jié)構(gòu)方案

10、設(shè)計(jì)實(shí)施一 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5對(duì)策實(shí)施2P222DCA01葉身冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)氣膜孔共15列盆側(cè)5列、前緣7列氣膜孔，葉背3列簸箕孔前緣7列氣膜孔為避免加工干涉，采用了方向相對(duì)的氣膜孔設(shè)計(jì)氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)實(shí)施一 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5對(duì)策實(shí)施2P222DCA01葉身冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冷氣導(dǎo)管冷氣導(dǎo)管：前腔沖擊孔470個(gè)，交錯(cuò)孔+陣列孔排布；后腔沖擊孔360個(gè)，陣列排布；沖擊距離：0.9mm尾縫尾縫共17個(gè)窗口隔墻厚度0.7mm最大縫寬1.2mm冷氣導(dǎo)管、尾縫結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)實(shí)施一 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5對(duì)策實(shí)施2P222DCA02緣板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緣板的分割方法采用“平行Z軸斜割法”緣板單側(cè)面平行Z軸，側(cè)面永不過(guò)圓心一種新

11、的設(shè)計(jì)方法，斯貝動(dòng)力渦輪、重燃葉片都采用這種方法，簡(jiǎn)單實(shí)用側(cè)面平行Z軸設(shè)計(jì)兩側(cè)面對(duì)稱Z軸設(shè)計(jì)理論分布示意圖單側(cè)面平行Z軸 Z軸位于兩側(cè)面的對(duì)稱中心面上優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比視圖簡(jiǎn)單、表達(dá)清晰弦長(zhǎng)、分布角、側(cè)面角一目了然，有的側(cè)向間隙也很直接，從零件圖上可見整臺(tái)葉片數(shù)。尺寸計(jì)算簡(jiǎn)單：弦長(zhǎng)、分布角可直接測(cè)算緣板加工時(shí)，由于側(cè)面平行Z軸，故側(cè)面找正方便，找到Z軸后受兩個(gè)參數(shù)控制（弦長(zhǎng)t、側(cè)面偏轉(zhuǎn)角） 緣板主要尺寸檢驗(yàn)方便實(shí)體弦長(zhǎng)等視圖不直觀在整個(gè)葉片零件圖中沒(méi)有直接視出分布角（360/葉片數(shù)）、弦長(zhǎng)等的視圖。緣板弦長(zhǎng)、分布角等主要尺寸由U-U剖視圖間接體現(xiàn)。尺寸計(jì)算很繞彎，初學(xué)者很難掌握； 加工時(shí)，側(cè)面找正不方

12、便，找到Z軸后受三個(gè)參數(shù)控制（弦長(zhǎng)t、 ）檢驗(yàn)不方便檢驗(yàn)的是理論的點(diǎn)到點(diǎn)，由于葉片軸向?yàn)閿U(kuò)張通道，故至少有一點(diǎn)是虛點(diǎn)（不在實(shí)體上）。實(shí)施一 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5對(duì)策實(shí)施2P222DCA02緣板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)施一 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5對(duì)策實(shí)施2P222DCA02緣板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上緣板內(nèi)部設(shè)置多排擾流柱，增強(qiáng)緣板內(nèi)冷氣的流動(dòng)換熱能力上、下緣板氣膜孔分布示意圖葉片外部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)。實(shí)施效果實(shí)施二燃?xì)鉁囟仍u(píng)估5對(duì)策實(shí)施2P222DCA高度（km）馬赫數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)W25（kg/s）高壓轉(zhuǎn)速（r/min）11.52.25最大熱負(fù)荷42.3014969 計(jì)算狀態(tài)最大熱負(fù)荷狀態(tài)葉片外換熱（熱

13、態(tài)半徑r=340mm）由圖可以看出，盆側(cè)（壓力面）換熱系數(shù)由尾緣向前緣逐漸降低，再由前緣向背側(cè)（吸力面）過(guò)渡并逐漸增加，在靠近葉背鼓包處達(dá)到峰值后沿葉背向尾緣方向逐漸降低。完成燃?xì)鉁囟仍u(píng)估，葉片換熱系數(shù)分布合理。實(shí)施效果實(shí)施三冷氣流量特性分析5對(duì)策實(shí)施2P222DCA葉身網(wǎng)絡(luò)圖上緣板網(wǎng)絡(luò)圖下緣板網(wǎng)絡(luò)圖主燃燒室內(nèi)環(huán)腔主燃燒室外環(huán)腔狀態(tài)點(diǎn)位置相對(duì)引氣量（）最大熱負(fù)荷前腔冷氣進(jìn)口5.04后腔冷氣進(jìn)口4.34上緣板冷氣進(jìn)口2.17下緣板冷氣進(jìn)口1.64總進(jìn)氣13.19實(shí)施三冷氣流量特性分析5對(duì)策實(shí)施2P222DCA高壓渦輪導(dǎo)向葉片各部分引氣量完成冷氣流量特性分析，葉片各部分用氣量分配合理，總用氣量滿足

14、目標(biāo)要求。實(shí)施效果5對(duì)策實(shí)施2P222DCA實(shí)施四溫度場(chǎng)評(píng)估葉片材料DZ40M計(jì)算截面340mm網(wǎng)絡(luò)劃分8節(jié)點(diǎn)4邊形單元溫度場(chǎng)評(píng)估采用大型商用有限元分析軟件Ansys11.0，模型網(wǎng)格共5312個(gè)單元，13442個(gè)節(jié)點(diǎn)。為使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際工況，計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了一系列修正。5對(duì)策實(shí)施2P222DCA實(shí)施四溫度場(chǎng)評(píng)估最大熱負(fù)荷狀態(tài)最高溫度（K）1412最低溫度（K）966.063（K）1830.4（K）957.14平均溫度（K）1213.93平均冷卻效果0.706葉片的高溫區(qū)主要集中在尾緣，最高溫度未超過(guò)葉片材料許用溫度葉片溫度分布合理，最高溫度及冷卻效果均滿足目標(biāo)要求。實(shí)施效果6效果檢查2P2

15、22DCA高冷卻效果高渦導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)方案能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。高冷卻效果高渦導(dǎo)向葉片的設(shè)計(jì)是我所首次完成基于全三維彎扭氣動(dòng)造型的復(fù)合冷卻高導(dǎo)葉片設(shè)計(jì)工作，為我所其它型號(hào)在進(jìn)行類似設(shè)計(jì)時(shí)打下人才和技術(shù)基礎(chǔ)?？己隧?xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)完成情況結(jié)論冷氣用量（%）13.313.19 合格最高溫度（K）14501412 合格平均冷卻效果0.650.706合格達(dá)到目標(biāo)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)既能保證葉片具有較高冷卻效果，又降低了研制和生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)及成本，每片葉片的加工成本相比其他冷卻結(jié)構(gòu)節(jié)省約5000元，整臺(tái)份葉片節(jié)省約17萬(wàn)元。7標(biāo)準(zhǔn)化2P222DCA為了有效地鞏固本QC小組的活動(dòng)成果，小組成員把活動(dòng)過(guò)程中有效措施進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，完善了原有的設(shè)計(jì)規(guī)范： 01序號(hào)有效措施標(biāo)準(zhǔn)化文件1“側(cè)面平行Z軸”的設(shè)計(jì)方法航空渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪氣冷葉片設(shè)計(jì)