整体叶盘在航空发动机上的应用和发展

通常,压气机转子叶片均以叶身下的榫头(多为燕尾形)装于轮缘的榫槽中,再用锁紧装置将叶片锁定在轮盘上。80年代中期,在发动机结构设计中,出现了一种称之为“整体叶盘”(BliSk)的结构,它是将转子叶片和轮盘作成一体,省去了联接用的榫头、榫槽,使结构大为简化。整体转子和整体叶盘叶片与轮盘作为一体并不是近期的设计,在60和70年代发展的一些小型发动机的轴流-离心式     

整体叶盘结构强度减振一体化设计方法

基于软件ANSYS,建立了整体叶盘参数化模型.结合轮盘强度设计应力标准,借助ANSYS优化模块,获得了满足强度要求的最轻整体叶盘模型.分析了整体叶盘的振动特性,研究了轮盘和叶型参数调整对整体叶盘固有频率的影响.在此基础上,研究了通过改变缘板厚度、罩量及叶型厚度等参数使整体叶盘避开低阶激振的结构设计方法.研究结果表明:对于鼓筒约束的整体叶盘,轮盘参数调整可提高整体叶盘低阶耦合振动频率与4E激振频率在最大转速的裕度为2.2%,而叶型参数调整对此裕度的影响可达8%.最终获得的整体叶盘模型在1阶振动避开5E以下激振,并与4E激振频率在最大转速的裕度达10.8%的基础上达到质量最轻,因避频质量增加4.77%,说明整体叶盘结构强度减振一体化设计方法是可行的.      

一种整体叶盘的加工方法--线性摩擦焊

论述了在一些现代发动机风扇、压气机中采用的整体叶盘结构的特点、使用情况与加工方法,着重介绍了一种整体叶盘最新的加工方法──线性摩擦焊。分析了这种方法的加工原理、特点与成用前景。通常,航空燃气涡轮发动机的压气机及风扇工作叶片（即转子叶片）均用其叶身下的排头（多为燕尾型）装于轮盘轮缘的样槽中,再用锁紧装置将叶片锁定于轮盘中。80年代中期,在航空发动机结构设计方面,出现了一种称之为“整体叶盘”或简称“叶盘”（Blisk）的结构。它是将工作叶片和轮盘作成一体,省去了连接用的样头、样槽,使零件数目大大减少、结构…     

辐板厚度变化对整体叶盘结构力学性能的影响

以发动机第四级等厚辐板整体叶盘结构为例,采用有限单元法,探讨辐板厚度变化对整体叶盘结构强度、振动及由反向温度场引起的轮盘稳定性的影响。结果表明,调整辐板厚度,可在不同程度上改变整体叶盘结构的振动特性、强度应力水平及轮盘稳定性。随着辐板厚度的增加,盘片耦合振动频率呈增加趋势,但叶片振动频率几乎不变,盘体静强度呈抛物线趋势,盘体稳定性增加。     

压气机中叶片轮盘耦合结构振动分析

在建立了叶片与轮盘三维装配模型的基础上, 考虑了由于装配产生的接触应力与叶片轮盘之间的耦合作用后, 建立了叶片-轮盘装配耦合的振动特性计算的有限元模型.并采用ANSYS软件, 使用循环分析方法对某叶片轮盘耦合结构的振动特性进行了计算分析.通过模态实验校验的手段证明用这种方法进行榫接装配系统动力学分析是可行的.      

轮盘-叶片组件的统一应力分析

本文用含接触面的循环对称计算模型进行轮盘-叶片组件的统一有限无应力分析。此法考虑了榫头与榫槽间的三维接触传力,利用循环对称性,不人为假定轮盘切开处的边界条件,可同时得到轮盘及叶片中的应力分布。还用另外五种简化计算模型来分析同一计算对象。将所得结果同含接触面的循环对称模型的计算结果作比较,评价了简化模型的适用性。     

罗罗公司研制出线性摩擦焊宽弦风扇整体叶盘

与通常发动机的压气机轮盘和叶片的机械连接方式不同,新型整体叶盘结构的轮盘和叶片是一个整体,它可以大大提高发动机的性能,至少可使发动机重量降低３０％。此外,整体叶盘还可取消轮盘和叶片上的一些附件,减轻轴承和转动件支撑结构的重量。整体叶盘并不是全新结构,它在直升机的发动机上应用已有十几年时间。但在大型军用发动机上应用才刚刚开始。直到最近才有可能用五坐标数控铣床或电解加工机床由实体毛坯加工出大尺寸整体叶盘。这种加工是很昂贵的,并且加工量大,加工周期长。由Ｒ＆Ｒ和ＭＴＵ公司联合开发的线性摩擦焊接技术是目…     

一种基于叶盘结构几何失谐的降阶分析方法

叶片几何失谐严重影响叶盘结构的振动特性。为了准确且高效地对存在叶片几何失谐的叶盘结构进行振动分析,基于扇区建模方法,由动力学方程推导出降阶模型的表达式,利用该降阶方法对整个几何失谐叶盘结构分别进行模态分析和受迫响应分析,并与有限元方法进行固有频率和受迫响应结果的对比。结果表明:该降阶方法得到的结果与有限元方法得到的结果基本一致,验证了该方法的有效性和实用性。     

燃气轮机叶片-轮盘耦合系统振动特性计算

建立了叶片－轮盘耦合系统振动固有特性计算分析模型。利用有限元通用程序NASTARN的循环对称分析功能和几何非线性分析功能,对某舰用燃气轮机实际叶片－轮盘结构进行了计算分析。计算中考虑了旋转离心力及材料参数随温度变化对固有特性的影响,计算得到了谐波共振频率与实测结果基本吻合。     

叶片-轮盘组件的动力特性研究

本文采用扇形厚板元和波传动法,计算了叶盘组合模型件的振动特性,讨论了组合体与单独叶片及轮盘振动特性的差异,分析了叶盘几何参数变化所产生的影响。文中还对某实际叶盘组件进行了有限元分析,并用实验方法作了检验,结果表明两者是吻合的。 用有限元法计算叶盘组合体振动,有两种较好方法:一种是Kirkhope和Wilson提出,后经Mota Soares等人发展成半解析的环形元法(即有限条法);另一种是后者提出的采用扇形厚板元的波传动法。这两种方法都具有取单元和节点数少、计算精度高等优点,较便于工程应用。然而,这些方法对实际叶盘组件进行计算的经验尚不多,国内外还没有精度高的范例。本文作者经过大量的计算考核,认为对实际叶盘组件的计算拟采用扇形厚板元与厚壳元的组合方案。     

高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述

详细介绍了国外高性能航空发动机先进的风扇和压气机叶片的特点、发展和应用。所介绍的叶片,包括掠形转子叶片、弓形静子叶片、吹吸叶片、分流小叶片、空心叶片和复合材料叶片。     

单级轴流大小叶片压气机非定常流场数值研究

通过数值模拟方法对单级轴流大小叶片压气机与常规叶栅压气机的非定常压力场进行分析与对比,结果表明:由于小叶片的分隔效应,使得转子通道的非定常压力和单叶片非定常负荷脉动大大增强,并促进了压力波向上游的传播;但转、静子单元的整体扭矩和轴向力脉动降低;绝对坐标系下转子入口处的压力波动是转子势扰动、动静干扰产生的压力波和此波在周向的不均匀性的综合作用,不同的入口周向位置,压力波的幅值相位存在较大差别,小叶片的存在强化了这种差别.     

不对称静子叶片非谐方案研究

为降低转子叶片在前排静子尾迹流场激振情况下的动应力,对转子系统进行不对称气动非谐设计.不对称静子叶片分布非谐设计下,转子所受到的激振力由静子叶片均布情况下的单频率高幅值激振力转变为多频率成分低幅值激振力.对不对称静子叶片非谐情况下激振力频率幅值进行推导,讨论了静子扇区分布和静叶数目选取对尾流激振力的影响,并对相同扇区分布不同静叶数目情况下转子叶片的强迫响应进行瞬态分析,给出不对称静子非谐设计的最优方案.      

CFD simulation of helicopter rotor flow based on unsteady actuator disk model

Actuator Disks (AD) can provide characterizations of rotor wakes while reducing computational expense associated with modeling the fully resolved blades. This work presents an unsteady actuator disk method based on surface circulation distribution combined with empirical data, blade element theory and rotor momentum theory. The nonuniform circulation distribution accounts for 3D blade load effects, and in particular, tip loses. Numerical simulations were conducted for the isolated pressure sensitive paint model rotor blade in hover and forward flight using the HMB3 CFD solver of Glasgow University. Validation of CFD results in comparison with published numerical data was performed in hover, for a range of blade pitch angles using fully turbulent flow and the k-ω SST model. In forward flight, the vortex structures predicted using the unsteady actuator disk model showed configurations similar to the ones obtained using fully resolved rotor blades. Despite the reduced grid cells number, the CFD results for AD models captured well the main vortical structures around the rotor disk in comparison to the fully resolved cases.     

径流及斜流压气机任意曲面叶型长短叶片的造型设计方法

发展了一套径流及斜流式叶轮机的任意曲面叶型长短叶片的造型方法,并在离心式压气机和斜流式压气机的设计中做了具体的应用。新发展了令叶片的厚度按三次样条函数沿流向分布的一种设计思想,得到了比较理想的叶片。同时在径流及斜流式压气机中使用分流叶片,引入了长短叶片的造型设计方法。通过CFD流场检验验证了这种叶片造型方法的可操作性和适用性。这为径流式以及斜流式叶轮机转子、静子的进一步气动优化设计奠定了基础。      

1.5级涡轮实验台前腔燃气入侵实验

在1.5级涡轮实验台上,针对不同转速和不同封严质量流量,分别采用稳态压力测量、瞬态压力测量和二氧化碳体积分数法对燃气入侵现象进行了实验研究,以确定不同工况下主流的动静叶相互作用对燃气入侵的影响以及入侵到盘腔的燃气在腔内与冷气的掺混过程.结果表明:静叶后的时均压力在周向有明显的周期分布,部分区域封严环外的压力高于腔内压力,且随着封严质量流量增加,这一区域逐渐缩小;动叶扫掠带来同频率的压力波动,对于燃气入侵的发生有着重要的影响;通过二氧化碳体积分数实验获得了最小封严质量流量,并得到在封严质量流量不足情况下燃气沿着静盘侧入侵盘腔的结果.      

Finite element analysis of dynamic stability of bearingless rotor

Dynamic stability equations of bearingless rotor blades were investigated using a simplified model.The aerodynamic loads of blades were evaluated using two-dimensional airfoil theory.Perturbation equations were obtained by linearization of the perturbation.A normal-mode approach was used to transform the equations expressed by nodal degrees of freedom into equations expressed by modal degrees of freedom,which can reduce the dimension of the equations.The stability results of rotor blades were presented using eigenvalue analysis.The shape function matrix was obtained using spline interpolation,which simplified the analysis and made assembly of the inertial matrix,damping matrix,and stiffness matrix a simple mathematical summation.The results indicate that the method is efficient and greatly simplifies the analysis.     

高速直升机方案中旋翼自转状态的实验研究

近年来对高速直升机的研究日益兴盛起来,而高速直升机设计的利用自转状态在相同临界迎角下可以承担更多升力的特点,提出将自转引入升力转移的过程中,从而达到减小机翼面积、降低机体重量、减小阻力的目的.针对某一高速直升机方案的自转状态,本文设计和建设了试验模型和试验设备,进行了相应的实验研究.通过与直升机正常工作状态下旋翼的实验结果对比,得出了自转旋翼具有更高的效率的结论;并且根据实验结果分析了自转旋翼的稳定转速与前飞速度以及桨盘迎角的关系.通过与前期理论研究的计算结果相比较,对已有的气动模型进行了检验,理论与实验结果得到了相互印证.     

Analysis of Factors Affecting the Service Life of a Centripetal Turbine Rotor

The reasons for shortening the service life of blades and the rotor disk of a small-sized centripetal turbine are analyzed both at the maximum operating modes of the turbine and the starting and stopping stages. The ways of partitioning the rotor blade into elements and relating them to the disk elements in creating the mathematical model of strength analysis are considered.     

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。