复合材料机匣热态强度试验方法研究

针对航空发动机复合材料机匣热态强度考核试验要求,采用热环境模拟技术、内外载荷模拟技术、多点协调控制技术及数据采集技术,提出一种内外载荷和温度载荷共同作用的机匣热力联合同步加载试验方法;设计了机匣热态强度试验装置,并基于该试验装置完成了复合材料外涵机匣热态强度试验。试验结果表明,所设计的试验装置能有效模拟外涵机匣的工作环境,解决了在同一工作表面进行热压同步加载的干涉问题,具有加载精度高和工程适用性强的特点。     

航空发动机机匣壁面温度分布数值模拟与分析

为了准确预测航空发动机机匣壁面的温度分布,通过建立发动机性能计算模型,借助发动机沿程热力循环参数计算的通用方法,利用管内流体对管壁的对流换热过程,开发了发动机机匣热壁1维数值计算软件,模拟了飞机包线内某个发动机状态下发动机机匣表面的温度场,并进行了试验验证。将计算结果与试验结果对比可知,温度分布曲线除外涵区外趋势基本一致。该方法将可将发动机机匣壁面温度作为单独模块进行模拟计算,可以为发动机设计和调试提供较为准确的参考数值。     

航空发动机叶片-机匣碰摩摩擦热效应仿真分析

为了分析航空发动机叶片-机匣碰摩摩擦热对叶片的影响,基于有限元法建立了叶片-机匣碰摩摩擦的热-结构直接耦合模型,分析了不同偏心距和转速对模型应力场和温度场的影响,并与未考虑摩擦热效应的碰摩模型进行对比。结果表明:当叶片与机匣之间发生摩擦时,需考虑材料参数随温度变化的影响;摩擦热主要分布在接触表面较小的区域,温度分布沿接触面向四周呈递减趋势,且温度梯度越来越小。并在该区域产生了较大的热应力;随着偏心距和转速的增大,叶片-机匣的摩擦热效应越发明显。在实际工程问题中,需考虑摩擦热效应对叶尖表面损伤的影响。     

涡轮叶尖热主动间隙控制系统布局分析

涡轮叶尖间隙控制系统是现代军、民用大涵道比航空发动机普遍采用的提高发动机性能的重要系统之一。本文分析研究了现代大涵道比航空发动机典型的涡轮叶尖热主动间隙控制（ACC）系统的结构布局及冷却空气流向，根据各自特点将其总结归纳为双层机匣内置冲击隔板和机匣外部环绕冲击冷却管两种形式。其中，双层机匣内置冲击隔板布局结构简单，采用的引自高压气源的冷气在实现间隙控制功能后可以用于二次冷却其他部件，但从高压压气机中间级引气的性能代价比较高，因此实际应用较少。机匣外部环绕冲击冷却管布局结构件较多，但可以实现冷却管与机匣外壁凸肋的紧密配合，从而实现最优的冲击靶向位置及冲击距，增强机匣热响应效率，而且采用引自风扇后低压气源的冷气的性能代价低。从发动机实际应用来看，机匣外部环绕冲击冷却管布局在现代大涵道比发动机上应用较多，成为涡轮热主动间隙控制系统结构布局的发展趋势。     

塞斯纳172飞机发动机机匣脉冲激光清洗工艺研究

针对航空发动机机匣表面除漆需求,采用纳秒脉冲激光开展了塞斯纳172飞机发动机机匣表面漆层的激光清洗研究。通过对机匣除漆区域的表面形貌及粗糙度进行分析,探究了激光能量密度与扫描速度对机匣表面漆层清洗效果的影响规律,确定了机匣激光除漆最佳工艺参数,并对机匣除漆后的表面质量、显微硬度及粗糙度进行综合评估。结果表明,能量密度和扫描速度均显著影响机匣除漆质量,能量密度18.33 J/cm2、扫描速度1600 mm/s时,可实现除漆率98.7%,表面粗糙度Sa为2.48μm,机匣本身未损伤,表面显微硬度提升1.9%,满足机匣表面除漆质量要求。研究结果为发动机机匣激光除漆提供了理论与技术支持。     

航天发动机机匣包容性试验的数值模拟

本文采用基于冲击动力学理论的有限元数值分析方法模拟了在旋转试验器上进行的某发动机机匣的包容性试验过程,反映了撞击过程中断叶和机匣的能量变化历程,较好地模拟了试验结果。研究结果对航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值。     

航空发动机机匣包容性试验的数值模拟

本文采用基于冲击动力学理论的有限元数值分析方法模拟了在旋转试验器上进行的某发动机机匣的包容性试验过程,反映了撞击过程中断叶和机匣的能量变化历程,较好地模拟了试验结果。研究结果对航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值。     

间隙主动控制系统中冷却空气管换热特性实验研究

针对民用发动机低压涡轮主动间隙控制系统中冷却空气管气流冲击机匣的典型结构,建立1∶1简化试验模型并开展换热特性试验研究。试验中依据相似准则确定试验工况,通过改变进口Re数、孔排方式、冲击间距(即冷却管和机匣间距)等参数,分析了机匣表面局部和平均Nu数的分布和变化规律。试验中发现尽管冷却管上冲击孔沿周向均匀分布,机匣表面周向温度却存在明显的差异,对应局部换热系数相差可达3倍以上。试验数据表明:由于冷却管冲击孔周向出流流量不均匀,造成机匣表面局部Nu数随着对应圆心角的增加而逐步变大;当进口Re数增加后,冲击板面局部及平均Nu数均随之增大;试验工况下,机匣表面局部及平均Nu数均随冲击间距、冲击孔间距与孔径比(L/d)的增加而减小。     

带整体式粒子分离器的涡轴发动机进口支板的三维积冰数值研究

整体式粒子分离器对涡轴发动机的气动乃至积冰都会有影响。为了获得涡轴发动机进口支板的积冰特性,以包含整体式粒子分离器的涡轴发动机进气机匣为模型,选取间断最大结冰条件,采用欧拉-欧拉法模拟了进气机匣内的空气-过冷水滴两相流场,并计算了支板表面的水滴撞击特性,再应用考虑水膜流动和蒸发的三维积冰模型对支板表面的积冰进行了模拟。计算结果表明,机匣进口的水滴有99.4%进入了扫气流道,而且结冰参数在支板前缘上游呈现出明显的周向不均匀性。对于主流道下游的4片支板,仅距离蜗壳起始位置最近的支板前缘局部受到显著的水滴撞击,最大水收集系数达到3.8,当积冰总时间为74s时,该支板表面最大积冰厚度约8mm,其余3片支板表面几乎没有水滴撞击和积冰现象。本文的研究结果可为考虑整体式粒子分离器影响的涡轴发动机进口支板的防冰设计提供依据。     

航空发动机附件机匣热分析计算软件开发

开发了一种通用的航空发动机附件机匣热分析计算软件。软件综合热网络法和有限元法的优势,用Fortran语言开发了基于热网络法的附件机匣内部元件热分析模块,用APDL语言开发了基于有限元软件ANSYS的壳体热分析模块,两个模块之间存在数据交换和迭代联算。软件具有通用性,可以满足各种不同结构的附件机匣热分析计算。通过对某航空发动机附件机匣进行热分析计算,获得了附件机匣的温度场分布、生热量以及滑油出口温度,说明了软件应用于附件机匣热分析计算的可行性。     

航空发动机风扇叶尖径向间隙数值分析

采用流-固-热耦合计算方法,综合考虑离心载荷、温度载荷和气动载荷影响,对某改型发动机的风扇转子和风扇机匣进行数值分析,获得了发动机三个典型状态点下,风扇转子和风扇机匣的压力、温度及结构变形分布;通过对风扇转子和风扇机匣两者变形的叠加,获得了风扇叶尖径向间隙分布。计算结果显示:该型发动机在原型机设计点和转速最高状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面发生碰磨;而在温度载荷最大状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面始终存在间隙,这会影响到该状态点下的风扇效率,需在后续设计中予以考虑。     

无通风直升机动力舱火灾温度场数值模拟

采用大涡模拟(LES)技术,针对某型直升机动力舱建立了火灾模型,选择油池火灾作为研究对象,并对火灾场景进行了设计.利用数值模拟的方法研究了不同位置火源动力舱的火灾场,分析了火源位置对火灾热释放速率、速度场和温度场的影响.结果表明:无通风条件下,火源位置的改变影响动力舱火灾的蔓延,并且当火源位于动力舱底部距前防火墙1/4处时,火灾强度较大,对舱内部件的破坏较为严重.因此,在防火设计中应重点对该部位火灾区域进行防范.研究结果可为动力舱灭火系统设计提供参考.      

直升机动力舱流场及温度场的模拟

应用非结构网格,建立了直升机发动机动力舱的有限元模型,并根据舱内实际冷却气体的流通情况,采用SIMPLE算法,求解了流动和传热的控制方程,模拟了动力舱内流场与温度场的分布,研究了流场、压力场及温度场之间的依变关系。在此基础上针对现有设计存在的问题,提出了动力舱冷却系统的改进方案,并对不同方案的改进效果进行了分析比较。      

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

基于机匣测点信号的航空发动机滚动轴承故障诊断灵敏性分析

研究了基于机匣测点信号进行航空发动机滚动轴承故障诊断的灵敏性问题.首先利用两个带机匣的航空发动机转子试验器进行了冲击响应试验,比较了滚动轴承处冲击激励引起的轴承座测点响应和机匣测点响应的差别;然后利用这两个带机匣的转子试验器进行了滚动轴承故障模拟试验,详细对比分析了轴承座测点信号和机匣测点信号的时域波形、频谱和小波包络谱.结果表明:当滚动轴承和机匣的连接刚度较小时,故障滚动轴承的振动信号传递到机匣上时会产生很大的衰减,然而利用传统的基于小波包变换的包络解调方法仍然可以很好地诊断出外圈故障和内圈故障,对于滚动体故障的诊断效果略差.研究结果对于实际中基于机匣测点信号进行航空发动机滚动轴承故障诊断提供了试验依据.      

基于MBD的三维工艺在机匣产品制造中的应用研究

航空发动机机匣产品的结构复杂、制造精度高,产品加工难度很大。为了提高航空发动机机匣产品的工艺设计效率和质量,分析了机匣零件三维工艺设计需要解决的问题,研究了三维工艺设计的方法,并构建了机匣零件三维工艺设计技术路线。通过某机匣产品验证了三维工艺技术的可行性,为三维工艺在航空发动机的应用推广打下了坚实的基础。     

基于机匣应变信号的航空发动机转静碰摩部位识别

 为有效识别航空发动机转静碰摩部位,提出基于机匣应变信号的航空发动机转静碰摩部位识别技术。以应变片为敏感元件,采用沿机匣轴向、周向粘贴应变片两种实验方案,利用航空发动机转子试验器模拟大量不同碰摩部位的样本,采集航空发动机转子试验器机匣上的应变信号,提取应变的均值特征,利用支持向量机,识别不同碰摩位置。结果表明:沿机匣周向的应变均值特征可有效识别转静碰摩部位,且鲁棒性较好,且仅需在机匣的4个位置粘贴应变片即可对4个不同碰摩部位达到100%的识别率。沿机匣轴向的应变均值特征也可识别不同的碰摩部位,但识别效果不如沿机匣周向效果理想。     

复合材料机匣周向安装边模拟件强度与损伤分析

为了较准确地预测航空发动机机匣复合材料周向安装边的强度和失效模式,以某型涡扇发动机复合材料机匣周向安装边为对象,开展了复合材料机匣周向安装边模拟件的静拉伸试验和静强度及损伤预测方法研究。通过试验获得周向安装边模拟件静强度及给定考核静载下的损伤模式;基于3维逐渐损伤分析方法,采用挤压孔边局部节点合并等效接触算法,建立了复合材料机匣周向安装边模拟件的静载逐渐损伤分析模型,采用该模型对安装边模拟件不同角度的铺层损伤模式进行了分析。结果表明:静强度预测误差在6%以内,考核静载下的预测损伤与试验结果对比损伤区域基本一致;所建立的静载逐渐损伤分析模型具有较高的计算精度。     

螺栓连接对发动机机匣装配同心度及动力特性的影响

航空发动机机匣为薄壁圆筒结构,螺栓连接紧度及分布对其装配同心度及动力特性影响较大。本文建立了发动机压气机机匣的三维有限元模型,通过ANSYS模拟螺栓预紧力,分析螺栓紧度分布及加载顺序对机匣装配同心度的影响规律。同时,利用有限元技术分析螺栓蠕变松弛对机匣同心度的影响,得到螺栓应力随时间变化规律。研究结果对航空发动机机匣装配质量提高及机匣静子系统动力特性计算具有一定的参考价值。     

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.