航空发动机风扇叶片硬物冲击损伤的统计分析

对国内近20年民用航空发动机风扇叶片外物损伤的数据进行了统计,依据发动机维修手册对风扇叶片硬物冲击损伤的类型进行了分类,并对各种硬物损伤类型进行了统计分析和总结。     

民用航空发动机持续适航维修特性评估

持续适航维修是保证民用航空发动机安全运行的重要环节。为了给评估维修品质提供参考依据,应用因素分析法,基于卡方检验方法和广义Logistic模型,提出了1种民用航空发动机持续适航维修特性评估方法。选取具有研究意义的国内主要航空公司近20年来民用航空发动机风扇叶片硬物冲击损伤持续适航维修记录数据,参考发动机维修手册中硬物冲击损伤的分类与维修方法对风扇叶片硬物冲击损伤持续适航维修特性进行分析。结果表明:维修特性涵盖的发动机类型、损伤类型与损伤处理方式等关键因素之间存在较为明显的相关性,特定的损伤类型更倾向于采用确定的损伤处理方式以满足持续适航要求。研究结果与航空公司持续适航维修方案一致,该评估方法能够为民用航空发动机持续适航维修方案的制定提供一定的工程技术参考。     

不同金属硬物冲击航空发动机叶片损伤研究

为分析不同金属硬物对航空发动机风扇叶片造成的外物损伤特征差异,选取钢、铜、铝、铅四种材料弹珠作为外来物,以两种角度、多种速度冲击真实叶片进气边缘进行高速弹道冲击试验,并采用数值方法仿真动态损伤过程。结果表明:钢、铜珠冲击时,叶片损伤形貌可分为凹坑、撕裂和缺口,产生撕裂形貌时,小角度相比于大角度冲击需要更高的冲击速度,铜珠相比于钢珠冲击需要更高的速度;铝、铅珠因冲击时自身变形较大,对叶片只能造成挤压变形。仿真结果表明:在22 J冲击能量条件下,铜珠、钢珠造成叶片撕裂损伤的过程中存在两个显著的接触力峰值,且伴随着“动能回升”现象;铜珠动能较多地转化为叶片和自身的应变能,因而对叶片的侵彻能力不如钢珠;铝珠冲击力峰值最大,其动能转化为自身应变能的比例最高;铅珠冲击力峰值不明显,其动能大部分转化为摩擦耗散的热量。     

TC4钛合金外物损伤疲劳极限及预测研究

为研究外物损伤对航空发动机TC4叶片高周疲劳极限的影响，以模拟叶片为研究对象，采用空气炮法，预制不同工况下钢球冲击模拟叶片前缘外物损伤，为获得损伤叶片的疲劳极限，对损伤叶片开展了高周疲劳试验，在此基础上，通过有限元仿真探究了缺口残余应力分布对疲劳裂纹的萌生以及疲劳极限的影响，最后通过修正Peterson公式对叶片疲劳极限进行预测研究。结果表明，冲击所造成的缺口尺寸随冲击能量的增大而增大；叶片的高周疲劳极限随冲击能量增大而降低，其中缺口深度对疲劳极限的影响较大；缺口底部残余拉应力可能对叶片疲劳极限有一定影响；Peterson公式对疲劳极限进行预测所得结果误差较大，修正后预测结果误差从-30%～30%降至-15%～15%。     

航空发动机风扇叶片结构损伤识别研究

航空发动机风扇叶片常常因为疲劳裂纹而引起整个结构的损坏,导致重大的安全事故。基于此,提出基于BP神经网络研究航空发动机风扇叶片结构损伤识别的方法,采用有限元法计算出的结构固有频率平方的变化量为标识量进行网络仿真,通过对仿真数据的分析,比较准确地识别出结构损伤的位置和程度,为及时地发现损伤并且进行针对性的维修提供依据。     

钛合金叶片前缘的外物损伤残余应力数值分析

为研究航空发动机叶片外物损伤(FOD)位置残余应力的分布规律,根据真实叶片前缘特征设计了模拟叶片,基于Johnson-Cook本构模型,使用LS-DYNA软件仿真分析钢珠以不同角度冲击钛合金模拟叶片前缘的过程,对比仿真与相同试验条件下的空气炮模拟外物损伤试验的FOD损伤形貌与宏观尺寸,验证了有限元模型的正确性。提取仿真计算的不同入射角度对应的FOD位置残余应力分布,结果表明:钢珠以0°角入射时,钢珠冲击产生的接触力和变形能明显大于其他入射角度的情况,说明钢珠偏斜一定角度入射时造成的偏斜型缺口处的材料失效与变形不如外物正撞前缘形成的半圆型缺口严重;在FOD缺口底部尖端靠近入射表面区域存在明显的残余拉应力。随着入射角度的增大,残余拉应力区的范围逐渐扩大,残余拉应力最大值逐渐减小。     

航空发动机风扇叶片与机匣刮蹭分析及结构设计

针对异常载荷下,航空发动机宽弦风扇叶片的叶尖与机匣刮蹭变形及损伤特征缺乏数据支持,而传统理论计算方法存在较大的误差问题，建立了宽弦风扇叶片叶尖刮蹭显式动力学分析模型,采用宽弦风扇叶片与机匣刮蹭试验数据,对分析模型的计算精度进行了验证。基于分析模型进行了仿真参数的敏感度分析,得到了叶片与机匣刮蹭后叶片变形及机匣损伤规律。研究结果表明:叶尖伸长量对转子转速非常敏感，叶尖径向伸长量增加速率远大于转速增加值，因此在叶片设计中应考虑到风扇叶片极限转速下叶尖伸长量。同时需要选取合理的扭转角度以满足叶片安全性和气动性能的要求。在风扇机匣包容区设计中应主动考虑异常载荷的影响，增大安全性设计域度；设计合理的耐磨层材料参数，减小风扇叶片对其冲击损伤。采用该方法可以提高叶尖间隙控制精度,减小刮蹭对叶片和机匣造成的损伤。      

FOD缺口型损伤对TC4疲劳极限强度的影响

针对TC4钛合金风扇/压气机叶片前缘常遭受的外物损伤(FOD)缺口型损伤,进行了不同冲击角度下高速弹道冲击试验研究、损伤特征与应力集中分析,开展了冲击后不处理和冲击后去残余应力退火试样的高循环疲劳试验和疲劳极限强度预测。结果表明:随着冲击角度的增大入射侧损伤尺寸和应力集中系数基本保持不变,出射侧缺口损伤深度和损伤长度减小。损伤深度范围为0.6~1.5mm,应力集中系数范围为2.6~3.4。缺口型损伤试样的疲劳极限强度下降为光滑试样的27%~53%,与应力集中系数并不是呈反比关系。退火试样的高循环疲劳(HCF)性能或略微下降或基本不变,表明残余应力影响较小,残余应力对疲劳极限强度的影响程度不足光滑试样的10%。缺口型损伤试样的HCF性能与损伤底部半径的相关性不明显,随着最大损伤深度和损伤长度的增加而下降,表明制定维修手册时应着重考虑缺口型损伤的最大深度和损伤长度。Peterson经验公式对HCF性能的预测精度不理想,误差最大为45%,需要发展高精度的FOD缺口型损伤构件HCF性能预测方法。      

鸟撞击风扇转子叶片损伤模拟与试验研究

为了研究航空发动机吞鸟时风扇叶片受到的损伤,开展鸟撞击旋转状态下发动机风扇叶片损伤数值模拟和试验研究。采用SPH方法,使用PAM-CRASH软件对鸟撞击旋转状态下风扇叶片进行了数值模拟,得到了鸟撞击风扇叶片过程:风扇叶片前缘撞击并切割鸟体、叶片盆侧撞击鸟体切片和叶片恢复变形,详细分析了鸟撞击对风扇叶片前缘、叶身、尾缘、凸肩造成的损伤,以及损伤对发动机的影响。设计并开展了旋转状态下鸟撞击风扇转子试验,得到了旋转状态模拟鸟撞击风扇过程,以及旋转状态下鸟撞击风扇实际的损伤类型,撞击过程和损伤类型与数值模拟结果一致。数值模拟和试验结果表明,鸟撞击风扇主要过程为叶片前缘撞击切割鸟体,主要损伤为风扇叶片前缘变形、撕裂、掉块和凸肩工作面错位、掉块,风扇叶片抗鸟撞击的薄弱部位为风扇叶片前缘和凸肩工作面。     

基于统计特征的航空发动机风扇外物撞击检测

为了检测识别航空发动机工作过程中的风扇外物撞击事件,采用非接触叶尖振动测量系统对风扇叶片叶尖振动位移进行实时采集与检测。通过风扇叶片非接触叶尖振动位移数据统计分析,发现叶尖振动位移服从正态分布,并采用Epps-Pulley假设检验证明。设计了基于统计特征的风扇叶片外物撞击叶尖振动位移检测算法,采用该方法获取了风扇转子不同转速下外物撞击叶尖振动位移检测阈值。对风扇转子转速为3000r/min状态下,直径16mm、质量为2.9g的外物弹体撞击风扇叶片的振动位移数据进行分析,并采用高速摄像系统对该方法识别结果的可靠性进行验证。结果表明:基于统计特征的发动机风扇外物撞击检测方法,能够准确识别外物撞击风扇叶片事件及发生撞击的叶片编号。     

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型，考虑叶片离心刚度的影响，机匣由贝塞尔曲面拟合，风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型，在机匣二节径变形的情况下，计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大，带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低，改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近，或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时，叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。      

航空发动机叶片外物损伤研究现状

 全面地介绍了航空发动机叶片外物损伤研究的现状。叶片鸟撞击损伤是一种软物损伤。从鸟撞击叶片过程的理论研究、计算研究和试验研究三个方面进行了详细地介绍。叶片冰撞击损伤既可能是软物损伤又可能是硬物损伤。叶片冰损伤的研究文献较少，对此进行了简要地介绍。叶片硬物损伤包括金属块、石块和冰块三种形式。对叶片硬物损伤研究的各个方面，包括叶片硬物损伤的形成、叶片硬物损伤后的疲劳强度、叶片由于硬物损伤而产生微裂纹和微裂纹增长等，进行了详细地介绍。最后，提出了国内进行叶片外物损伤的研究方向。     

虑及高循环疲劳的裂纹型外物损伤叶片的可用极限

为了发展一种航空发动机钛合金风扇/压气机叶片外物损伤（FOD）可用极限的确定方法，对典型叶片的可用极限进行了调研，基于裂纹门槛值原理建立了应力比相关的FOD裂纹不扩展等值曲线图，根据TC4钛合金不同应力比下材料的疲劳耐久性极限强度对比了两种裂纹不扩展判据的适用性，通过该方法确定了一种典型风扇叶片撕裂/裂纹型外物损伤的可用极限。结果表明:现有维修手册中对叶片不同区域不同类型FOD的可用极限要求不同，FOD可用极限的主要限制尺寸为损伤深度，深度限制一般在1mm以内。通过裂纹不扩展等值曲线图确定的典型风扇叶片撕裂/裂纹型FOD可用极限分布在0.020~0.525mm内，可用极限沿叶片展向分布可分为三个区域:叶根区可用极限约0.08mm，叶中区可用极限约0.3mm，叶尖区可用极限约0.5mm，越靠近叶根可用极限越小。      

Foreign Object Damage to Fan Rotor Blades of Aeroengine Part Ⅰ: Experimental Study of Bird Impact

The conditions of experiment for bird impact to blades have been improved. The experiment of bird impact to the fan rotor blades of an aeroengine is carried out. Through analyzing the transient state response of blades impacted by bird and the change of blade profile before and after the impact, the anti-bird impact performance of blades in the first fan rotor is verified. The basis of anti-foreign object damage design for the fan rotor blades of an aeroengine is provided.     

航空发动机风扇转子叶片外物损伤I.鸟撞击试验研究(英文)

本文改进了叶片鸟撞击试验条件。对某型发动机风扇一级转子叶片进行了鸟撞击试验。通过对叶片的鸟撞击瞬态响应分析和撞击前后叶片叶型变化的分析,验证了风扇一级转子叶片的抗鸟撞击性能,为某型发动机风扇转子叶片的抗外物损伤设计提供了依据。     

Foreign Object Damage to Fan Rotor Blades of Aeroengine Part I： Experimental Study of Bird Impact

The conditions of experiment for bird impact to blades have been improved. The experiment of bird impact to the fan rotor blades of an aeroengine is carried out. Through analyzing the transient state response of blades impacted by bird and the change of blade profile before and after the impact, the anti-bird impact performance of blades in the first fan rotor is verified. The basis of anti-foreign object damage design for the fan rotor blades of an aeroengine is provided.     

航空发动机进气及叶栅通道内砂粒动力学特性分析

为提高发动机的吞砂、防砂能力,需要了解砂粒在发动机中运动规律及对发动机性能的影响。采用欧拉-拉格朗日法对E3发动机整流罩、风扇和增压级进行了砂粒与气流的耦合作用分析计算,加入颗粒碰撞模型和侵蚀模型。仿真分析结果表明:砂粒运动轨迹和侵蚀区域符合发动机使用规律。砂粒进入发动机与风扇叶片压力面发生碰撞,砂粒发生碰撞后大部分进入了外涵流道。砂粒碰撞位置主要集中在风扇叶片压力面处,风扇对颗粒运动轨迹的影响最显著,碰撞后的颗粒有明显的径向运动趋势,叶顶区域的颗粒富集程度较高。整流罩、风扇叶片压力面及外机匣壁面都发生较为严重的砂粒侵蚀现象,而增压级叶片砂粒侵蚀现象不明显。      

Numerical simulation of a UAV impacting engine fan blades

A 3D digital model of a small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is obtained by using the method of scanning reverse modeling and joint mapping. A numerical simulation of a small UAV strikes on rotary engine blades, presented in this paper, was performed with a Transient Nonlinear Finite Element code PAM-CRASH software. A test of motor strike on plate was developed and the dynamic response of the plate were obtained to validate the numerical simulation method of a UAV strike on blades. Based on this, dynamic damage response caused by UAV on the engine blades were studied. It is indicated that the impact process between the UAV and a single blade can be divided into two typical stages: cutting and impact. Cutting mainly leads to the failure of the leading edge material, and impact mainly leads to the plastic deformation of the blade. At the same time, it is compared with the damage impacted by bird with the same mass. For the same mass of bird and UAV, the damage caused by UAV striking fan blade is more serious, and 1.345 kg UAV striking fan blade of typical civil aviation engine is enough to cause damage to flight safety.