基于打靶试验的风扇机匣包容能力评估方法

为保障飞行安全,航空发动机机匣需具有足够的抗冲击能力以包容高速旋转状态下丢失的叶片。针对某型涡扇发动机对开式风扇机匣包容性评估需求,提出了1种结合真实机匣打靶试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。通过使用真实机匣和真实叶片进行打靶试验获得风扇机匣的冲击损伤情况,并基于ANSYS/LS-DYNA进行了瞬态动力学有限元分析。结果表明:采用Johnson-Cook模型预测的机匣伤形状、尺寸以及叶片残余速度均与试验结果接近,验证了数值分析方法的准确性。采用验证过的数值分析方法开展旋转状态下机匣的包容性评估,发现由于撞击姿态差异和失效模式转变,风扇机匣可以包容以100%工作转速飞出的叶片,但机匣出现长裂纹,接近临界包容状态。所提出的方法可以在不具备部件包容试验条件的情况下,以较方便的形式对机匣包容能力可靠评估。     

面向包容性的航空发动机机匣研究综述

机匣作为航空发动机的关键部件,其包容性能是保障飞行安全的必要条件。针对机匣包容性问题,首先,简要介绍涉及包容性的机匣类别和结构形式;其次,从理论研究、仿真分析及试验测试等方面概述机匣的冲击响应、损伤机理和包容性能等,简述机匣包容性试验方法及试验研究进展,按机匣材料类别对包容性数值仿真研究分类介绍;最后,总结机匣包容性研究状况并从机匣工作条件、受载情况和优化设计角度对机匣包容性研究进行展望。     

航空发动机机匣包容性研究综述

从包容定义、机匣种类、设计概念和方法、试验验证、数值仿真、机匣和叶片破坏方式等方面,详细阐述航空发动机包容机匣的现状和发展趋势.简述发展大涵道比涡扇发动机对轻质高包容能力风扇机匣的需求,评述在役及在研大飞机发动机风扇机匣的设计方案,介绍国外从事纤维增强复合材料机匣包容能力研究的情况.并分别从结构改进、低成本复合材料风扇机匣制造技术、全复合材料机匣缠绕规律、耐高温复合材料机匣、叶片包容过程的多学科整机耦合响应分析、智能包容机匣等方面,简要论述我国高推质比发动机和大飞机发动机包容机匣的研制方向.      

航空发动机机匣包容试验叶片飞脱方法

风扇机匣包容性试验是航空发动机适航许可试验的重要内容之一,而风扇叶片的飞断方法是风扇机匣包容试验的关键.简述了发动机风扇机匣包容性试验中常用的3种叶片飞脱方法,重点介绍了预制裂纹与线型聚能切割器爆破切割相结合的爆破飞脱方法,并采用该方法对钛合金实心平板叶片进行了静态爆破切割试验,试验结果与设计方案相吻合,达到了预期目标,证明了该爆破飞脱方法具有较强的可行性和较高的可靠性.     

机匣包容性破坏势能法的试验验证

为了验证航空发动机机匣包容性破坏势能法，本文完成了20次模型机匣包容性冲击试验，得到了模型叶片撞击模型机匣时的速度、应变响应和模型叶片撞击模型机匣过程的高速摄影照片。试验结果表明，该模型机匣的非包容失效模式主要是剪切破坏。本文还采用数值分析方法对机匣包容性进行了模拟，计算结果与试验结果吻合良好。     

基于单胞模型的Kevlar织物高速冲击数值仿真方法研究

针对航空发动机软壁包容机匣用的Kevlar49机织织物,基于Ivanov提出的单胞模型,采用三元件粘弹性本构模型描述纱线应变率相关的力学特性,建立了Kevlar49织物高速冲击数值仿真模型;通过对单个单元拉伸进行数值仿真获得Kevlar织物的应力应变响应;对钢球撞击四边固支的单层织物开展了数值仿真计算。结果表明:所建立的基于单胞结构的数值仿真方法既能描述织物的宏观力学特性,又可反映出撞击过程中纱线的相互运动;单元拉伸仿真获得的拉伸应力应变响应与试验结果一致;Kevlar织物在钢球下的冲击响应与法向变形与纱线细观有限元模型结果一致,验证了发展的基于单胞模型的数值仿真方法的有效性。     

双层模型机匣和叶片的包容性问题数值模拟

采用显式动力分析有限元技术,研究了飞断叶片模型与机匣模型的撞击过程,并且计算了不同类型机匣模型包容情况下的临界转速。计算结果表明,双层机匣模型的包容能力明显地优于单层机匣模型,间隙情况对双层机匣模型的包容能力有一定的影响。研究结果对多层航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值。     

某型发动机一级风扇机匣包容性数值仿真

为研究航空发动机机匣/叶片包容性过程机理,以某型发动机一级风扇机匣/叶片为对象,建立了三种有限元模型,研究了最高工作转速下的非包容过程,分析了完整叶片等对非包容过程的影响.结果表明:该型发动机一级风扇机匣是非包容的;机匣初始裂纹的主要失效模式为双向拉伸应力下的拉伸失效,随后裂纹扩展产生大范围的撕裂;断叶受较复杂载荷的作用,最终在凸肩处断裂成二部分;断叶与机匣的撞击过程可分成三个阶段,第一次撞击为叶尖与机匣的轻微撞击,第二次撞击作用力最大,而第三次撞击受断叶后侧完整叶片的作用非常明显.受完整叶片的撞击,断叶动能有明显的增加.      

复合材料在航空发动机上应用的几个问题

复合材料在飞机主承力结构上的应用已有50多年历史,但在航空涡轮发动机上的应用是从60年代初开始的,不过它在发动机上的结构重量现已占约10％,除了风扇及尾喷管,一台现代民用航空发动机从外表看都是碳纤维复合材料制的,一些大型的静态结构,如风扇涵道、风扇框架、整体风扇机匣以及包容环等都采用了复合材料。甚至大型风扇叶片也在探索采用有机复合材料。     

航空发动机涡轮机匣轮盘包容性研究

为研究某航空发动机辅助动力装置涡轮盘在预定转速范围内破裂后涡轮机匣的包容能力,在高速旋转试验器上进行了涡轮机匣的包容性试验.试验采用轮盘周向3个对称位置预制裂纹的方式,使轮盘在预定转速范围内破裂成均匀3块,得到了轮盘碎块撞击涡轮机匣的高速摄影照片.试验结果表明轮盘碎块击穿机匣撞击包容环,包容环发生大塑性变形,包住轮盘碎块.采用LS-DYNA软件对涡轮机匣包容性进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合良好,研究结果对航空发动机轮盘包容性设计有一定的参考价值.      

Containment of soft wall casing wrapped with Kevlar fabric

Aramid fabrics have been commonly used in the civil turbofan engine fan blade containment system for its excellent performance. To investigate the behavior and capability of soft wall containment casing, a series of fan blade released tests were conducted on the high-speed spin tester.The soft wall casing was fabricated by wrapping multiple layers of Kevlar49 plain woven fabric around a thin steel ring. Casings with different inner metal ring and outer fabric layers number were compared. The method of using the explicit dynamic software LS-DYNA to establish the finite element analysis model for the quantitative analysis of the containment process was developed and conducted. The simulation results are in good agreement with the test results. It is shown that the containment process of the soft wall casing can be divided into three impact stages. The casing with low-stiffness inner metal ring will get severe overall deformation and lose the structural integrity when it suffers the blade impact. Kevlar fabric layers will appear large bulge on outside surface and absorb the most impact dynamic energy of the high speed released fan blade. By summing up the results of the test and simulation, an empirical critical equation was derived to describe the relationship between the released blade dynamic energy and the Kevlar fabric thickness.     

Blade containment evaluation of civil aircraft engines

The potential hazard resulting from uncontained turbine engine rotor blade failure has always been the long-term concern of each aero engine manufacturer, and to fully contain the failed blades under critical operating conditions is also one of the most important considerations to meet the rotor integrity requirements. Usually, there are many factors involving the engine containment capability which need to be reviewed during the engine design phases, such as case thickness, rotor support structure, blade weight and shape, etc. However, the premier method to demonstrate the engine containment capability is the fan blade-off test and margin of safety (MS) analysis. Based on a concrete engine model, this paper aims to explain the key points of aero engine containment requirements in FAR Part 33, and introduces the implementation of MS analysis and fan blade-off test in the engine airworthiness certification. Through the introduction, it would be greatly helpful to the industrial community to evaluate the engine containment capability and prepare the final test demonstration in engine certification procedure.     

航空发动机风扇叶片爆破飞断主动控制技术

为了实现在风扇机匣包容性试验中对叶片飞断转速的精确控制,开展了叶片飞断主动控制技术研究。提出了一种风扇 叶片爆破切割飞断的方法,进行了风扇叶片榫头的装药结构设计以及应用爆破技术的可行性分析;设计了遥控起爆系统,确保了 试验安全;根据静、动态双重验证的技术研究路线提出了详细的技术指标,使叶片飞出姿态满足试验器条件下包容性试验的技术 要求。结果表明：采用风扇叶片爆破切割飞断的方法顺利完成了某大涵道比发动机叶片在风扇机匣包容性试验指定转速下的爆 破飞断,叶片飞出的附加动能小于叶片飞失动能的0.05%,叶片飞断转速的控制精度在0.1%以内。验证了该项技术在试验器条件 下完成风扇机匣包容性试验的有效性,并为整机包容性试验奠定了基础。     

涵道螺旋桨动力装置最优设计新方法的研究

为了探索涵道螺旋桨动力装置工程设计新方法，在自由螺旋桨设计的基础上，根据Theodorsen的片条理论，涵道后缘的库塔条件以及边界页微元涡丝的诱导方程，构筑涵道螺旋桨叶片涡强度分布的计算模型，然后用该模型代替Prandtl的动量损失函数及环量函数，使自由螺旋桨的最小能量损失的设计方法推广到涵道螺旋桨基于Betz条件的最优设计。再根据给定的设计要求，即可计算出经过最优设计的涵道螺旋桨的基本尺寸以及涵道的基本尺寸。经过研究证明，在新方法中的涡强度分布计算模型在理论上是正确的，设计模型的风洞实验与理论计算数据基本吻合，证明了该设计方法的可行性。     

风扇/增压级动平衡工装最佳支承跨距计算方法

某型航空发动机风扇增压级平衡工装采用悬臂支承结构,其支承跨距是该平衡工装的重要设计参数。针对该平衡工装的结构特点建立了最佳支承跨距的理论分析模型,给出了最佳支承跨距计算的解析表达式,并通过数值计算对最佳支承跨距进行了验证。结果表明:平衡工装最佳支承跨距的解析解与数值解一致,建立的最佳支承跨距计算方法可以为风扇增压级平衡工装的支承跨距的参数设计提供理论指导,提高平衡工装的平衡精度和平衡效果。     

航空发动机涡轮叶片包容试验及数值模拟

为了解断裂涡轮叶片与包容环的撞击过程,研究航空发动机的包容性能,提高飞机飞行安全。在高速旋转试验台上进行了飞断平板叶片与包容环的撞击试验,并采用基于撞击动力学理论的有限元数值计算方法模拟了撞击过程。结果表明,平板叶片撞击包容环产生两个撞击点,第二撞击点是较为危险的撞击点,撞击点处的径向凸起量随初始撞击动能的增大而线性增大,两撞击点间的距离随初撞击动能的增大而线性减小,数值模拟准确地反映了叶片与包容环的撞击过程。研究结果对航空发动机包容环结构的优化设计和包容能力的校核计算有一定的参考价值。      

High-velocity impact responses of 2618 aluminum plates for engine containment systems under combined actions of projectile form and oblique angle

Ballistic impact tests were carried out with examined projectiles of the Ti-6Al-4V titanium alloy to investigate the impact response of the 2618 aluminum plates at a nominal velocity of 210 m/s. The influence of projectile forms and oblique angles on damage formation was particularly discussed by applying different loading conditions such as multiple projectile forms and oblique angles. Additionally, the numerical simulation method was employed to provide further insight into the characteristics of damage and target responses. The Johnson-Cook(J-C)constitutive model with revised failure parameters was used to support the simulations to assess target responses and characteristics of the damage created from different impact conditions. Results show that there is a significant transition in the deformation mode as changes of the projectile form are applied. Moreover, the cracks on the back of the 2618 aluminum alloy plates impacted by the solid plate projectile and the hollow blade projectile tend to locate at different positions, which are supposed to be influenced by local bending and stretching. The work in this paper may provide guidance for the design of fan blade containment systems.