基于热态叶型的小轮毂比弯掠叶片结构保形设计与优化

发展了一种保持且基于气动设计给定的热态叶型的冷态叶型迭代解算方法,并将其融入叶片罩量调节的优化设计,其中在热态叶型的基础上调节罩量,针对冷态叶型计算变形与应力等,变形后的叶片逼近热态叶型,尽可能减小了对热态叶型气动特性的影响.实现了冷态叶型迭代求解与罩量调节中结构有限元网格的自动更新,并基于iSIGHT优化平台,建立了叶片罩量调节多目标优化设计的自动化分析流程,并以一小轮毂比弯掠风扇叶片罩量调节为例,考查了罩量调节中考虑轮盘与否对优化设计结果的影响.计算分析实例表明:所发展的方法可在保持热态叶型的前提下使叶片最大应力和最大变形分别下降了10.6%和46%.      

提高跨声速风扇转子气动负荷系数途径

回顾了跨声速风扇/压气机转子气动负荷的研究历程,并对基准风扇转子和两个方案转子进行了三维流场分析。通过对195个研究方案的对比研究,目前阶段数值模拟的结果中风扇转子气动负荷系数达到0.65。在来流条件相同的情况下:合理组织激波结构可以大幅提高叶尖气动负荷;叶根大转角设计是提高根区气动负荷的可行途径;静子跨声速来流是高气动负荷跨声速风扇/压气机的必然结果。     

风扇转子动特性试验与分析

转子不平衡是引起发动机振动的主要原因。针对风扇转子工艺状态平衡良好,但工作状态不平衡量较大所引起振动偏大的现象,对其变化规律及影响因素开展转子动特性试验。采用卧式转子试验器测量风扇转子在工作转速范围内各截面的振动响应,利用三圆法测算出转子动不平衡量在高、低转速间存在的明显差异,主要是套齿连接结构刚度变化及叶片工作状态差异引起。通过窄带跟踪滤波提取出转子在各典型转速下基波弹性线,发现风扇转子本身未发生较大挠曲变形,为准刚体状态。其相位测试结果表明:风扇转子与多功能轴间存在明显的非同步振动规律。     

对转风扇设计技术研究

为了考察对转风扇的工程应用性,通过气动方案论证、气动设计技术研究、强度颤振分析研究、声学分析研究、非设计点匹配和调节研究以及进口畸变流场模拟研究,初步探讨民用大涵道比发动机对转风扇的设计技术,总结未来工程应用可能面临的问题以及解决方案。与常规风扇设计相比,对转风扇后排叶片在非设计点下的工作状态变化幅度较大,因此后排叶片的设计攻角选取不能过大。虽然较低的设计转速下转子叶片的振动频率不高,但也不必太过担心颤振问题,本文风扇在设计点并不会出现颤振问题。采用对转技术降低风扇转速是降低噪声的有效手段,本文设计的风扇远场最大声压级只有90 dB左右。对转风扇在非设计转速具有较好的性能水平,在工程应用时可以不必调节后排叶片的安装角。对转风扇对进气畸变的衰减作用十分有限,两排转子对转也使得畸变区域的周向相位移动并不明显。     

进口预旋对高负荷跨声风扇性能的影响分析

利用三维数值模拟手段,研究了全转速条件下高负荷风扇进口级转子的预旋设计形式和其对气动性能的影响,以及在优化的预旋分布规律下,转子的典型部分转速特性.该风扇转子叶尖切线速度为480m/s,设计总压比为2.55,负荷系数高达0.42.结果表明:使用常规转子仍能达到该负荷水平,但采用带进口导叶的设计形式十分必要;在转子叶尖采...     

叶尖间隙对高负荷风扇转子性能影响的数值研究

在不同叶尖间隙下,对高负荷风扇转子的特性进行了研究;通过数值方法分析了叶尖间隙对转子特性的影响。结果表明:适当小的叶尖间隙可以使转子获得较好的性能;作为泄漏流的反应,外壁机匣上所形成的静压槽随着间隙的增大、反压的提高而扩大;在不同叶尖间隙下,叶尖附面层和泄漏涡的破裂对风扇转子的失速起不同作用。     

基于模型参数辨识的航空发动机风扇叶片裂纹故障诊断

为了对发动机风扇叶片裂纹故障进行精确诊断,在航空发动机故障模拟试验平台上开展了风扇叶片裂纹故障模拟试验,对风扇转子叶片进行典型裂纹故障预置,并对风扇转子叶片产生裂纹前后的叶片典型参数进行试验测量。通过风扇转子叶片阻尼系统及裂纹故障特征理论分析发现,裂纹叶片的模态质量和模态刚度变化会使叶片阻尼比发生明显变化。采用基于遗传算法的模型参数辨识方法辨识风扇叶片应变响应函数,进而获取风扇叶片阻尼比。结果表明：相同叶片不同次测量试验得到的叶片阻尼比相差0.02%;不同叶片个体差异导致的阻尼比最大相差2.9%;5#风扇叶片产生裂纹后的阻尼比减小了6.4%。可见,叶片的阻尼比对其几何特性的变化十分敏感,且通过对风扇叶片阻尼比进行模型参数对应的遗传算法辨识能够实现风扇叶片裂纹故障诊断。     

跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。     

大涵道比风扇转子的非定常数值模拟

为了更好地设计大涵道比风扇转子及外涵导叶(OGV),采用非线性谐波法对某大涵道比风扇转子及OGV进行了非定常和定常数值计算,2种计算方法获得的风扇外涵级的流量、增压比、绝热效率有一定差异,并分析了性能变化的原因。通过对其典型截面的非定常流场进行快速傅里叶分解,在频域内分析了风扇转子和OGV之间的转静干扰效应,以及交界面典型脉动量的周向波形,从频域的角度分析了影响性能的原因;同时观察到一些时域中难呈现的现象。结果表明:通过非定常数值计算,大涵道比风扇外涵级绝热效率曲线随时间变化呈现正弦曲线的形状,幅值约为0.59个百分点;风扇外涵级绝热效率最高、最低点分别出现在风扇尾迹通过静子通道的约3/4和1/4处。     

风扇叶片丢失激励下转子-支承系统结构安全性设计策略

以高涵道比涡扇发动机风扇叶片丢失载荷激励下的转子-支承系统为研究对象,提出了一套结构安全性设计策略,即通过支承方案与载荷分配、变刚度支承结构和支承结构变形控制,结合转子结构动力学特性设计,实现转子结构安全性设计.研究表明:风扇后支点采用变刚度支承结构设计,能够在转子减速停车过程中减小风扇局部振动临界转速与相应振幅.通过设计滚珠轴承支承锥壳锥角,能够使支承具有较高的轴向承载能力并减小转轴变形对滚珠轴承的影响.轴承座底部与转轴间采用鼓形配合面连接设计,能够在大弯矩作用下通过配合面相互滑移避免支承随转轴变形,保证轴承安全.研究结果可为恶劣载荷作用下高涵道比涡扇发动机结构安全性设计提供依据.      

对转升力风扇地面效应的力学及喷流频谱特性研究

为进一步了解升力风扇工作特性,以自行设计的20kg推力对转升力风扇为研究对象,设计和发展了对转涵道风扇测控系统,研究不同转速条件、不同离地距离(1.1D,2D,3D,D为转子直径)对升力风扇各部件力学特性的影响效应,结合动态压力传感器阵列测量技术及功率谱密度分析方法,获得了升力风扇的喷流频谱特性。结果表明:相比于3.0D工况,在设计转速下当离地高度降低到1.1D时,升力风扇总推力提高11%但需求功率基本不变,其中涵道唇口推力下降3%,转子推力上升25%,出现了明显的"气垫效应";上、下游转子叶片尾迹能量较小,未能监测到明显的叶片通过频率,风扇喷流动态特性与前后级转子间动-动非定常干涉效应有明显相关性,其一阶频率为上、下游转子通过频率之和。     

大涵道比涡扇发动机风扇/ 增压级试验件结构 设计及验证

某大涵道比风扇/增压级试验件为1级风扇加3级增压级结构,为实现风扇/增压级部件特性录取,结构设计在满足气动设计要求的基础上,重点考虑了合理性和可靠性问题,采用理论结合工程经验的方法完成了转子支撑、静子连接和轴承润滑及密封等难点设计,兼顾大涵道比风扇/增压级结构及气动特点,采用宽弦风扇叶片设计、榫头/榫槽圆弧榫连及装配式风扇转子流路板结构。顺利完成试验件研制工作,经试验验证,压比、效率等性能参数达到或超过设计指标。     

变循环发动机性能数值模拟

在常规双轴涡扇发动机性能模拟程序的基础上,添加了模式选择阀门、前可调面积涵道引射器、后可调面积涵道引射器、核心涵道等部件模块,并加入了低压涡轮导向器面积、高压压气机转子叶片角度、风扇转子叶片角度、核心驱动风扇级转子叶片角度等调节变量,编写了双外涵变循环发动机性能数值模拟程序,模拟了一种带核心风扇级的双外涵变循环发动机的高度、速度和节流特性.计算表明:与单外涵模式相比,双外涵模式的单位推力和耗油率低,受飞行条件影响的主要为前涵道比.随着低压转子转速的降低,双外涵模式的总涵道比呈增大的趋势,发动机的耗油率大幅降低.此外,变循环发动机在几何调节参数不变的情况下,对工作条件较敏感,必须特别注意各调节参数与发动机工作条件的匹配.      

涡扇发动机可调静子叶片控制规律研究

航空发动机高压压气机采用可调静子叶片,可改善高压压气机的工作特性,扩大喘振边界,保证发动机稳定工作;通过优化可调叶片角度控制规律,还能提高发动机性能。基于双转子涡扇发动机的试车数据,介绍了可调叶片角度的控制方法,研究了可调叶片角度在低转速和高转速时的控制规律,分析了打开可调静子叶片角度对发动机性能的影响。研究表明,高压转子转速较高时,通过调节可调静子叶片角度,可以降低高压转子的物理转速,增加转子转速裕度,降低机械负荷,增加发动机在翼使用时间。     

考虑流固耦合效应的航空发动机风扇叶片应力数值模拟与试验测量研究

航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明：考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。     

基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法

针对风扇转子相位监测困难、振动传递路径复杂、不同机台动力学特性差异性大、动平衡效率低等现象,提出一种基于模型和真实动平衡数据反演的风扇转子本机平衡方法。首先,通过分解风扇转子振动传递路径,构建数据反演模型和确定反演特征参数;其次,利用真实动平衡数据反演出匹配各机台的关键特征参数K_cs(机匣到支点1动刚度);最后,基于反演理论建立多转速下机匣振动响应、特征参数K_cs和转子不平衡量的线性矩阵方程,实现转子不平衡量逆运算。本方法经风扇转子现场动平衡验证,可在给定的转速范围内实现100%振动抑制,抑振比达43%～68%,动平衡效率大大提高。     

航空发动机风扇叶尖径向间隙数值分析

采用流-固-热耦合计算方法,综合考虑离心载荷、温度载荷和气动载荷影响,对某改型发动机的风扇转子和风扇机匣进行数值分析,获得了发动机三个典型状态点下,风扇转子和风扇机匣的压力、温度及结构变形分布;通过对风扇转子和风扇机匣两者变形的叠加,获得了风扇叶尖径向间隙分布。计算结果显示:该型发动机在原型机设计点和转速最高状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面发生碰磨;而在温度载荷最大状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面始终存在间隙,这会影响到该状态点下的风扇效率,需在后续设计中予以考虑。     

连续纤维增强复合材料在民用航空

对碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维等连续纤维增强的复合材料在民用航空发动机上的应用进行了概述,对连续纤维增强复合材料在风扇的转子叶片、出口导流叶片、机匣、风扇包容系统、帽罩前锥、消声板、反推装置、高压涡轮导向器和低压涡轮转子叶片等重要零件上的应用现状和发展趋势进行了归纳,指出了国内民用航空发动机应用连续纤维增强复合材料选材的发展方向。     

连续纤维增强复合材料在民用航空发动机上的应用

对碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维等连续纤维增强的复合材料在民用航空发动机上的应用进行了概述,对连续纤维增强复合材料在风扇的转子叶片、出口导流叶片、机匣、风扇包容系统、帽罩前锥、消声板、反推装置、高压涡轮导向器和低压涡轮转子叶片等重要零件上的应用现状和发展趋势进行了归纳,指出了国内民用航空发动机应用连续纤维增强复合材料选材的发展方向.     

宽弦风扇叶片颤振预测的工程研究

为研究宽弦复合弯掠风扇叶片的颤振问题,以及适用于工程设计的颤振预测方法,分别采用经验法和数值模拟方法,对大涵道比风扇性能试验件叶片进行颤振预测,并将预测结果与试验结果进行对比,考察颤振预测方法的准确性和实用性。对比过程中,分析了颤振发生的机理,提出了抑制颤振的手段。结果表明:两种方法都准确地预测了风扇转子叶片发生的颤振,与试验现象吻合,计算量在可接受范围内,具备工程实用价值。