微型涡桨发动机动力涡轮叶片与机匣碰撞失效仿真分析

针对某微型涡桨发动机试车过程中出现的叶片断裂及机匣包容性问题,利用接触-碰撞动力学方法模拟了单叶片断裂后对叶片和机匣的碰撞失效过程,对碰撞位置、碰撞中的能量变化、等效应力/应变等进行了分析。结果表明,单涡轮叶片断裂情况下,叶尖和叶根依次与机匣碰撞产生两个撞击点,不考虑其余叶片的影响下,第一个撞击点由于叶尖滑动耗散部分能量,第二个碰撞点受到的冲击更大。考虑整周涡轮叶片旋转情况,断裂单叶片受后方旋转叶片驱使,动能大幅增加了,第一个碰撞点造成冲击更大。因此,在机匣包容性分析中,需考虑其余旋转叶片增强断裂叶片动能的影响。     

编织复合材料弹体和靶板偏航撞击响应分析

为研究复合材料机匣在复合材料弹体撞击过程中弹体的破坏模式与机匣吸能特性,在ANSYS/LS-DYNA软件中基于连续损伤力学模型开展了一系列的复合材料弹体偏航撞击仿真。仿真结果表明:对于偏航撞击,随着偏航角度的增加,弹体剩余动能逐渐减小,靶板吸收的能量逐渐增大,主要是因为偏航角度越大,弹体与靶板接触面积逐渐增大。同时通过仿真得到钛合金弹体冲击复合材料靶板的计算结果,发现钛合金弹体临界穿透速度比复合材料弹体小,更易击穿靶板,因此复合材料叶片的使用不仅可以减轻叶片的质量,也有助于改善机匣包容性。     

一种鸟撞击叶片的切割模型

对鸟撞击风扇／压气机叶片进行响应分析，首先必须确定鸟体撞击叶片时的切割模型。本文提出了一种更接近于鸟形状的椭球体模拟鸟撞击叶片的切割模型，给出了计算最大切片尺寸和质量的表达式。计算了3种不同质量的椭球体模拟鸟撞击叶片时的最大切片的尺寸和质量，并与圆柱体模拟鸟撞击叶片切割模型的计算结果进行了比较。     

压气机叶片外物损伤模拟的撞击能量当量法

在分析外物与叶片间的运动态势后,提出压气机叶片外物员伤模拟的撞击能当量法,即使得摆锤的势能与外物摘击叶片时可能达到的功能相等。据此,设计并制作了摆锤装置,并实验观察到钛制压气机叶片损伤形态与撞击能量间的变化关系,即随着撞击能量的增加,损伤形态产生的顺序为,压痕→突缘→裂纹→突缘呈４５°剪切破坏,这与外场收集到的叶片的前缘损伤形态一致,同时,采用了ＴＣ４压气机叶片进行了相应的高周疲劳试验,验证了方法     

基于检查数据和物理退化模型的涡轮叶片检修策略优化

根据发动机涡轮叶片在日常使用过程中的损伤检修数据确定其失效概率分布函数,应用Paris公式对叶片裂纹增长进行反演分析,得到在指定阈值下可检裂纹长度与初检时间的对应关系;再模拟裂纹增长过程,得到叶片在寿命周期内各个检查时刻的状态;最后通过仿真结果的统计分析得知叶片的失效概率。案例研究结果表明:叶片在服役过程中如果初检时间太早,初检时扩展裂纹长度小,不易被检测到,后续的重复检查间隔长,在各重复检查时刻容易产生失效;如果初检时间太迟,叶片在初检时会接近甚至超过临界损伤值,也增加失效概率。在允许失效概率为10-5的条件下,涡轮叶片在计划运行周期内的最优检查次数12次,最优初检时间和重复检查间隔分别为1 371循环和307循环。所提方法和研究结果为航空公司机务维修人员和发动机工程师的风险评判和检修决策提供依据和参考。     

软体外物撞击叶栅时的切割模型

鸟、冰雹、冰块的撞击统称为软体撞击。随空气一起吸入发动机的软体外物首先要受到风扇或压气机叶栅的切割作用,故与叶片发生撞击的是经切割后的软体外物切片。为此,在着手分析撞击过程之前,首先要确定切片的几何形状及质量,即建立软体外物的切割模型。 本文推导了确定最大鸟切片与最大冰球、冰块切片的几何尺寸及质量的表达式。作为算例,针对某型号发动机的有关参数,计算了当受到不同质量的鸟及不同直径的冰球撞击时,最大切片的尺寸与质量。本文的工作为建立软体外物撞击叶栅时的载荷模型提供了前提条件。     

航天器柔性多体结构锁定撞击动力学分析与试验验证

介绍了航天器柔性多体结构撞击动力学分析的工程背景和研究现状,阐述了撞击动力学分析软件FMIDASAD的理论模型和数值计算方法,并应用地面展开锁定试验验证了计算结果.研究表明:撞击动力学分析软件FMIDASAD能够合理模拟柔性多体结构在展开锁定撞击过程中的动力学基本特征,其预示的撞击载荷幅值与试验结果较为接近,可以满足工...     

出口马赫数0.81~1.01下涡轮导向叶片全气膜冷却特性研究

通过瞬态热电偶测量方法研究了涡轮导叶叶片全气膜换热系数和气膜冷却效率。试验叶片共有13排气膜孔,气膜孔排由前后2个腔供气,前腔二次流与主流流量比为5.06%,后腔为1.14%。为匹配真实发动机工作条件,叶栅进口雷诺数试验范围为1.7×105~5.7×105,出口马赫数范围为0.81~1.01。试验获取了叶片表面压力系数和换热系数分布规律,并研究了叶栅进口雷诺数和出口马赫数对叶片全气膜冷效分布的影响。结果表明:气膜孔下游的换热系数和气膜冷效较高;主流雷诺数的增加对冷却效率的提升有积极作用,特别是在叶片吸力面,而马赫数对叶片表面气膜冷效影响甚微。     

计及机匣相对运动的涡轮叶片叶顶凹槽流动研究

叶尖泄漏流是造成航空发动机涡轮内部损失的重要因素,而凹槽叶尖是控制叶尖泄漏流的有效手段,准确了解凹槽内的流动结构有助于认识泄漏流的流动规律和泄漏损失的物理机制。为了详细研究考虑机匣相对运动时叶尖凹槽腔内流动结构变化及其对泄漏流的影响,搭建了可模拟机匣相对运动的低速平面叶栅实验台,该实验台可以进行不同叶型、不同叶顶结构以及不同攻角等因素的研究。采用PIV技术设计了一种可以在机匣相对运动时对凹槽腔内流动进行测量的可视化测量方法。使用该测量方法捕捉到了凹槽腔内旋涡的流动结构,结合数值结果分析了不同机匣运动状态下凹槽腔内流动结构的演化过程,结果表明:刮削涡在凹槽腔内形成类似气动篦齿的封严效果,减小了间隙出口有效流通面积,降低了凹槽叶尖的射流系数,从而达到了控制泄漏流动的目的;选择合适的负荷分布和凹槽几何能够提升刮削涡的堵塞效果并扩大控制范围;均匀加载叶片使用叶尖凹槽时控制泄漏流的效果更加明显;径向间隙的大小直接影响叶顶凹槽内部流动结构的产生和演化,从而改变凹槽叶尖控制叶尖泄漏的效果。     

某发动机一级压气机叶片抗鸟撞数值模拟

基于PAM．CRASH显式碰撞分析软件,建立了鸟撞发动机一级压气机叶片全尺寸有限元计算模型。计算分析了真实工况下鸟撞发动机叶片不同部位时鸟体及叶片的变形过程和动态响应。计算结果表明,鸟体被叶片切碎的大小及叶片变形程度与鸟体撞击叶片部位有关,鸟体撞击叶片根部时鸟体大部分从叶盘下通过,叶梢位移较小而叶根等效应力较大,导致叶片从根部发生断裂的可能性较大;撞击中部时,整个鸟体被叶片切碎后沿着叶片缝隙穿过,叶梢位移和叶根等效应力处于中等水平,对叶片损害不大;撞击梢部时,叶根等效应力很小,但叶梢位移很大,相临叶片发生撞击可能使发动机无法正常工作。     

Blade-Loss-Caused Rubbing Dynamic Characteristics of Rotor-Bladed Disk-Casing System

Considering the elastic supports,the finite element model of rotor-bladed disk-casing system is established using commercial software ANSYS/LS-DYNA.Assuming that broken blade is released from the disk,the complicate rubbing responses of unbalanced rotor-bladed disk-casing system are studied under different operational speeds.In addition,influences of both plastic deformation of blade and casing failure are analyzed.The results show that there exist some multiple even fractional frequencies in the transient and steady vibration responses of unbalanced rotor.Besides,one nodal diameter vibration of bladed disk coupling with the lateral vibration of the shaft as well as the first order bending vibration of blade can be excited under low operational speed,while the first order bending vibration of blade coupling with the lateral vibration of disk-shaft is easily excited under high operational speed.During rubbing process,three distinct contact states can be observed:broken blade-casing contact,broken blade-blade component-casing contact and broken blade-casing contact/blade component-casing contact/blade selfcontact.It is worth noting that the third contact state is related to the operational speed.With the increase of operational speed,self-contact in the blade may occur.     

带处理机匣的跨声速风扇非定常数值模拟

对带背腔的斜缝式处理机匣的三级跨声速风扇第一级转子进行了非定常的全三维时间精确的数值模拟计算,研究了机匣处理前后转子稳定裕度和性能的变化。结果表明,这种带背腔的斜缝式机匣可以大幅度地提高转子的稳定工作裕度,同时也会造成效率的降低。通过与光壁机匣对比以及分析处理机匣与转子通道之间的非定常干涉现象,本文认为该处理机匣在跨声速条件下的扩稳机理是激波在处理机匣内沿轴向静压差形成一股吹向转子叶尖前缘的非定常气流,改变了前缘气流的攻角所致。比较机匣处理后定常计算与非定常计算的结果,说明了处理机匣对转子有非定常的作用。     

不同的力-时间函数及初始冲击压力对叶片响应的影响

本文以矩形悬臂板模拟真实叶片,以冲击载荷模拟鸟撞击载荷,采用有限元法计算悬臂板在冲击载荷下的非线性瞬态响应。通过分组比较,分析了不同的力—时间函数及初始冲击压力对叶片响应的影响。本文得出的结论可供建立鸟撞击载荷模型时参考。     

砂尘在典型金属壁面上的反弹特性仿真研究

含有砂尘的空气吸入发动机,会与叶片、内外机匣之间不可避免发生碰撞,影响飞行器飞行安全。通过采用显式动力分析有限元法,建立砂尘以不同入射角度、入射速度、粒径大小及其旋转速度撞击壁面的反弹模型,研究砂尘在不同条件下与不锈钢及铝合金面碰撞后的反弹特性结果,为预测砂尘在粒子分离器中的运动轨迹提供反弹特性数据支持。结果表明:随砂尘入射速度增大,反弹速度呈增大趋势,速度恢复系数基本保持稳定;相同入射条件下,铝合金材料对砂尘速度恢复系数的影响小于不锈钢材料;旋转速度、砂尘粒径对其碰撞反弹特性影响微弱,可以忽略不计;决定砂尘反弹角度仅取决于碰撞姿态和砂尘入射角度。     

简化碰撞模型对直升机桨叶扬起下坠动响应影响

采用含阻尼项的简化碰撞模型模拟铰接式旋翼桨叶与限动块之间碰撞时的碰撞力变化，并研究了桨叶扬起下坠动响应过程。运用Hamilton原理建立桨叶扬起下坠动力学方程，并采用Newmark积分法求解桨叶下坠过程的动响应。分析扭转弹簧刚度、阻尼比和积分步长对挥舞铰处碰撞力矩的影响，计算结果表明：扭转弹簧刚度增大1 000倍时，碰撞力矩的峰值相应增大22.0倍；阻尼比从0增大到0.05时，碰撞力矩的峰值增加10.4%；积分步长变小时，计算的精度有所提高，但计算效率却有所降低。     

鸟撞击载荷的冲量与时间因素的确定

为了预估叶片对鸟撞击的响应，首先要建立鸟撞击载荷模型。为此，需要确定载荷的冲量、时间因素及空间因素。其中时间因素包括加载持续时间及力一时间函数。本文介绍了鸟撞击刚性靶体时，确定其冲量及加载持续时间的一种理论计算方法。按正撞击与斜撞击、含切割过程与不含切割过程分别导出计算公式，并根据某型号发动机的有关参数给出计算实例。文中还介绍了一种无量纲形式的力－时间函数。该函数形式简单，且综合了计算分析与实验测量两方面的结果。以上内容均可供建立鸟撞击载荷模型时参照使用。     

种子叶片自旋下落过程涡系的PIV实验研究

本文利用粒子图像测速技术研究种子叶片自由旋转下落过程中不同涡系的相互作用机理。以典型枫树种子叶片为研究对象,通过对比不同叶片长度、叶面厚度、叶面宽度、下落锥角、自旋角速度、下落速度和下落初始角度等参数对过渡期和稳定期的影响,分析了诱发叶片自旋的外形特征和空间特性。结合特征参数分析,对叶片自旋稳定期开展了PIV流场测量实验,解析了无干扰下种子叶片下落过程中涡系的产生和演化机理。实验结果表明:稳定期气流在叶尖正面位置产生前缘涡（沿展向呈圆锥状结构）,后缘位置产生反方向的后缘涡;两个涡发生相互耦合运动,前缘涡的强度大于后缘涡,从而导致叶面产生锥角。在前缘和叶尖前方观测到较高的速度向上的区域,而在后缘和叶根附近则出现较高的速度向下的区域,从而对种子产生向上的升力,使叶片实现自旋稳定下落。通过枫叶种子自由下落的无干扰PIV测量,初步获得了贴近叶片表面前缘涡的运动性状,验证了后缘涡的存在,结论对单翼型旋转叶片的设计有一定指导意义。     

端墙形状对蒸汽涡轮效率的影响(英文)

运用CFD数值计算和平面叶栅的吹风试验对蒸汽涡轮导向叶片的端墙效应进行了研究,并在一试验蒸汽涡轮上得到了验证。由于本文研究给出了较高的效率,进一步实施了大量的三维数值模拟,该结果显示使用这一叶型对涡轮有一定的改善,尤其在涡轮叶片尖部有端墙时。在试验蒸汽涡轮上测量了尖部、根部均有端墙和仅尖部有端墙的不同效应,结果表明尖部有端墙时效率有所提高,然而当叶片有直端墙时,效率反而会下降。