航空发动机转子系统结构效率评估参数及计算方法

根据航空发动机转子系统的结构特征和力学特征,提出了从结构的承载能力、抗变形能力和动力学环境适应能力3个方面进行结构效率评估的参数体系及其计算方法,并以典型小涵道比涡扇发动机转子系统为例进行了结构效率评估参数的计算分析.研究表明:平均应力系数、等效比刚度、极限惯性载荷作用下最大变形量、无量纲M-H因子和弯曲应变能系数等作为评估航空发动机转子系统结构效率的评估参数能够有效地反映各种载荷作用下结构形式和材料性能对应力水平、变形分布以及动力敏感度的影响.同时指出了该发动机转子系统现有结构设计的特点,以及进行结构优化的方向.      

高速转子系统支承结构及力学特性设计方法

针对航空发动机高速转子系统支承结构及力学特性设计问题，开展支承结构约束特性（支点位置和支承刚度）对转子系统刚度及转子动力学特性的影响分析，建立转子支承结构约束特性与转子力学特性关联力学模型。通过对转子系统支承结构特征参数与刚度特性、振动特性等力学特性的关联性分析，定量描述了转子支承约束特征及轮盘惯性载荷对转子系统动力学特性的影响规律，在此基础上，提出了基于转子变形控制的支承约束特性与转子力学特性一体化设计方法。仿真计算结果表明:对于高速转子系统可以通过对支点位置及支承约束刚度的设计，调整转子弯曲变形和临界转速的分布特征，使其在通过或靠近弯曲振型临界转速的高转速工作状态下，具有足够的安全裕度。这种通过结构特征参数的变化，优化转子系统力学特性的方法，对航空发动机总体结构布局及动力学设计具有重要的工程参考价值。      

基于特征的压气机叶片结构设计

对航空发动机压气机转子叶片结构进行了特征分析和归纳,提取了典型特征结构和特征参数,建立了基于UG软件的压气机叶片特征设计系统,利用该系统进行了叶片的特征结构设计和多种形式的罩量优化,在此基础上对叶片结构进行了重构。按照同样的方法和步骤,可逐步实现航空发动机各零部件的特征设计,由此达到缩短设计周期,节约成本,提高设计一次成功率的目的。     

高涵道比涡扇发动机结构与力学性能定量评估

针对高涵道比涡扇发动机结构设计需求，提出转子系统、承力系统和整机的结构效率评估参数，建立了结构设计参数与力学特征参数之间的联系。典型发动机评估结果表明:受大尺寸风扇限制，高涵道比涡扇发动机低压转子系统的平均应力系数在0.2~0.3之间，低于其他类型的航空燃气涡轮发动机。在工作转速范围内，低压转子不可避免地存在弯曲型临界转速，须将转子连接结构设计在低应变能区域。机动飞行中，整机的转静间隙值变化范围为［-1.4,1.0］mm，低压涡轮是间隙控制的重点位置。      

航空发动机结构力学性能定量分析方法

为了对航空发动机的结构特征与力学特征之间的内在联系进行有效的定量分析,根据现代航空发动机结构功能特征,基于结构效率的概念及内涵,建立了结构力学性能的定量分析方法。针对典型高涵道比涡扇发动机的整机结构系统,通过建立适当的评估参数分析了结构抗变形能力和力学环境适应能力,并得到了结构效率系数。研究结果表明:与现有设计准则不同,采用该方法可以定量评估部件及整机结构设计水平或结构改进对航空发动机力学性能的综合收益,并能指出结构薄弱点,从而指导结构优化设计。     

几种军用涡扇发动机结构设计分析

本文对国外几种服役的以及将于九十年代后期使用的歼击机用涡扇发动机F100，F404，F110，RB199，M88，EJ200等从结构设计上进行了分析，重点分析了发动机总体方案的设计，包括转子支承方案，承力框架，联轴器，止推轴承的布局等。除此，还对转子的结构（焊接转子，环形燕尾槽，叶片盘等），新近发展的刷式封严件，涡轮出口机匣作为半级涡轮的结构设计等进行了分析。     

整机结构设计的新评估方法—结构效率

开展整机动力学的研究工作,是保证在役发动机安全使用和在研发动机成功设计的迫切需要。本文从整机动力学的角度,提出一种量化各种结构设计对整机性能收益的评估方法—结构效率,进一步揭示其内涵,建立初步分析方法。通过某转子/支承系统的结构优化算例,指出了结构效率在整机结构设计中的优越性,并对结构概率的进一步研究前景和研究重点进行了论述。     

基于成熟度的航空发动机WBS技术及工作模式研究

航空发动机工作分解结构一直是型号研制的重要依据。通过研究国内中小航空发动机压气机组件现行多学科协同设计过程,在对原来的工作分解结构进行分析后,提出基于成熟度的优化工作分解结构。使得航空发动机压气机组件的协同设计过程效率得到了提高,并在Teamcenter平台系统中进行了实例验证。     

柔性转子动力学特性及支承结构安全性设计

叶片飞失极限状态下,航空发动机转子系统承受冲击载荷和大不平衡载荷,载荷通过转子结构传递到支承结构,对支承结构造成严重损伤。从安全性的角度看,需要对航空发动机轴承-支承结构在极限载荷下的承载能力进行有效的定量评估。提出一种新型缓冲阻尼支承结构,通过对支点刚度突降和高阻尼设计,实现在止推轴承支点处大幅降低横向冲击载荷的影响。建立考虑支承结构刚度突变和阻尼特性的转子系统动力学方程,并计算突加不平衡激励下,转子系统支点动载荷分布的变化规律。结果表明:通过优化设计支点刚度和阻尼参数,缓冲阻尼支承结构,能够有效降低突加不平衡激励下止推滚珠轴承的支点动载荷,提高支承结构的安全性。     

航空发动机外涵机匣结构建模方法研究

为适应航空发动机外涵机匣方案设计时外部附件、管路布局经常调整的特点,应用UG NX软件的自顶向下建模与WAVE技术,开发了1种新型高效、规范、系统的外涵机匣结构建模方法。结果表明:与传统建模方法相比,该方法设计效率大大提高,可供航空发动机类似结构设计借鉴。     

Applications of structural efficiency assessment method on structural-mechanical characteristics integrated design in aero-engines

In the design process of advanced aero-engines, it is necessary to carry out an effective analysis method between structural features and mechanical characteristics for a better structural optimization. Based on the structural composition and functions of aero-engines, the concept and contents of structural efficiency can reflect the relation between structural features and mechanical characteristics. In order to achieve the integrated design of structural and mechanical characteristics, one quantitative analysis method called Structural Efficiency Assessment Method (SEAM) was put forward. The structural efficiency coefficient was obtained by synthesizing the parameters to quantitatively evaluate the aero-engine structure design level. Parameterization method to evaluate structural design quality was realized. After analyzing the structural features of an actual dual-rotor system in typical high bypass ratio turbofan engines, the mechanical characteristics and structural efficiency coefficient were calculated. Structural efficiency coefficient of high-pressure rotor (0.43) is higher than that of low-pressure rotor (0.29), which directly shows the performance of the former is better, there is room for improvement in structural design of the low-pressure rotor. Thus the direction of structural optimization was pointed out. The applications of SEAM shows that the method is operational and effective in the evaluation and improvement of structural design.     

航空发动机承力系统结构效率评估方法

针对航空发动机承力系统结构与力学特征,结合承力系统结构功能和设计要求,提出了承力系统的结构效率评估方法.通过应力分布系数、等效比刚度、刚度温度敏感度、振动位移传递系数等参数来评估结构的承载能力、抗变形能力、力学环境适应能力.以涡桨发动机涡轮级间承力框架的两种结构设计方案为对象,进行了结构效率的评估.结果表明:方案A结构效率比方案B高 39.6%,所选各结构效率评估参数均位于合理水平,能够定量反映出两方案的结构设计特点与优劣所在,验证了该评估方法的有效性.      

航空发动机整机结构效率评估参数与计算方法

根据航空发动机整机结构系统功能和设计要求,对整机结构效率内涵进行了详细阐述,基于整机载荷特征,建立了从抗变形能力和力学环境适应能力两方面对整机进行结构效率评估的参数体系.通过对转静间隙变化量、应变能分布系数、敏感度系数等评估参数归一化方法及结构效率系数运算法则的建立,明确了结构效率的分析流程.以某小涵道比涡扇发动机为对象进行结构效率评估,详细给出了结构效率的计算过程.针对该小涵道比涡扇发动机的另一种结构方案2,基于结构效率评估方法进行评估并与原结构方案进行了对比分析,结果表明:原结构方案在抗变形能力和力学环境适应能力两方面均优于结构方案2,结构效率系数比结构方案2高出0.11,初步验证了结构效率评估方法的工程实用性.      

一种一体化加力燃烧室的数值模拟

为适应新一代航空发动机高推质比的设计要求,设计出一种一体化加力燃烧室方案,利用截尾支板与带凹腔的分流环组合结构取代了传统火焰稳定器。对该方案进行了数值模拟研究及试验验证,结果表明:在该一体化加力燃烧室内涵中有3个低速回流区;截尾支板结构不仅起整流支板的作用,还能够起到火焰稳定器的作用;燃烧效率在90%～93%之间,流阻系数约为0.26;在所研究的工况下总压恢复系数均高于0.975,且主要的总压损失集中在截尾支板及分流环凹腔处。      

转子结构系统界面失效分析及稳健设计方法

针对结构非连续转子中连接界面接触状态变化引起界面力学特征改变,使转子系统动力特性不稳健的问题进行分析,并提出了一种界面接触状态的稳健设计方法。结果表明:该方法通过分析结构非连续转子系统中界面损伤失效的力学过程,对结构特征参数进行优化设计,降低界面力学特性对载荷环境的敏感度。以涡轮转子套齿连接为例进行优化设计得到,在加工装配误差所导致的应力极限情况下,最优解的接触应力水平更加远离应力约束边界,使带有连接界面的结构非连续转子系统的力学特性更加稳健,具有较好的工程应用价值。      

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。     

整机结构设计的评估方法——结构效率

从整机动力学的角度,提出一种量化各种结构改进设计对整机性能收益的评估方法——结构效率,其内涵应当包括发动机质量有效承载项,模态参与项以及变形量协调项,并建立初步分析方法.通过某转子/支承系统的结构优化算例,指出了结构效率在整机结构设计中的优越性,并对结构概率的进一步研究前景和研究重点进行了论述.