弯叶片对畸变条件下风扇性能影响研究

以跨声速风扇为研究对象,采用全周三维非定常数值模拟方法研究静叶根部20°正弯对总压畸变条件下风扇性能和流场结构的影响.通过对设计转速下风扇全工况进行求解,对比分析了静叶采用直叶片和弯叶片时设计点和近失速点的风扇性能和流场结构.通过与均匀进口条件的风扇性能对比,探讨弯叶片对风扇效率、稳定边界以及抗畸变能力的影响,重点研究弯叶片对动静叶流动损失的影响以及对级性能的影响和改善机理.研究表明,均匀进口时,根部20°正弯静叶可以改善风扇在近失速点附近的性能,而在设计点附近,弯叶片的作用不明显;进口总压畸变条件下,静叶根弯20°能有效改善风扇性能,提高稳定性;静叶根弯对流场的影响取决于具体的流场结构,流动状态越恶劣,弯叶片的作用越明显.     

基于反问题设计方法的叶栅激波损失控制

为了降低跨声速叶栅通道中的激波损失,提高叶栅出口的总压恢复系数,以二维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了二维叶栅反问题设计方法,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,在保持叶片总载荷不变的同时,达到降低叶栅槽道中的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,首先运用德国宇航中心L030-4叶栅实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片载荷进行分析,并提出了一种叶片表面载荷分布参数化方法,运用该方法修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶型。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用二维反问题设计方法得到的新叶型激波强度明显降低,叶栅出口总压恢复系数以及马赫数较原型均有增加,叶栅气动性能明显提高。     

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。      

金属橡胶冲击隔振系统试验

金属橡胶抗冲击隔振器利用干摩擦和弹性变形消耗冲击能量,实现缓冲减振的目的.针对某飞行器抗冲击隔振的需求,设计了金属橡胶抗冲击隔振器,并进行了冲击试验,结果表明最大加速度响应和冲击隔离系数随着冲击时间增加而加大,同时冲击隔离系数受冲击载荷的大小影响.在冲击载荷较小时冲击隔离系数随冲击载荷增加而减小,超过一定范围后,冲击隔离系数随着冲击载荷的增加而加大.      

冲击载荷作用下的锥壁失效仿真及试验验证

根据航空发动机支承锥壁结构受力特点,对风扇叶片飞失冲击载荷作用下的锥壁失效破坏机理进行了研究。利用显式动力学有限元仿真方法,对冲击载荷作用下的锥壁结构动态失效过程进行了瞬态分析。开展了对锥壁的落锤冲击试验,并与分析结果进行了对比验证。试验和分析结果表明:冲击载荷作用下锥壁减薄处破坏为剪切失效破坏。采用的显式动力学有限元仿真方法为准确模拟冲击载荷作用下的锥壁结构失效提供了一种可行的仿真手段,分析获得的峰值加速度与试验结果误差小于5%;利用GISSMO(generalized incremental stress state dependent damage model)可以准确预测锥壁减薄处断裂时间、断裂位置。经过试验验证的分析方法及失效模型可运用到风扇叶片飞失冲击载荷下的锥壁失效设计参数的确定,提高锥壁降载结构设计的精度。      

大涵道比风扇新型高低静叶结构性能研究

针对大涵道比风扇静叶尖、根稠度不匹配问题,为补偿静叶叶尖稠度、增大叶尖载荷、抑制叶尖的气流分离,提出一种在静叶叶尖引入低叶片结构的新型高低静叶结构,并通过相应数值模拟分析检验高低静叶结构在大涵道比风扇静子应用的有效性。结果表明:低叶片的引入有效抑制静叶叶尖的气流分离,改善流道内的流场结构,在单静子环境下,静叶级的扩压能力提升1.52%,总压损失降低23.6%;在级环境下,静叶级的扩压能力提升0.93%,总压损失降低15.0%;并且高低静叶结构在级环境下表现出较好的扩稳能力,流量裕度可提高53.8%;低叶片长度影响高低静叶结构性能,存在最优的低叶片长度。     

金属橡胶冲击隔振系统试验研究

金属橡胶抗冲击隔振器利用干摩擦和弹性变形消耗冲击能量,实现缓冲减振的目的。本文针对某飞行器抗冲击隔振的需求,设计了金属橡胶抗冲击隔振器,并进行了冲击试验,结果表明最大加速度响应和冲击隔离系数随着冲击时间增加而加大,同时冲击隔离系数受冲击载荷的大小影响。在冲击载荷较小时冲击隔离系数随冲击载荷增加而减小,超过一定范围后,冲击隔离系数随着冲击载荷的增加而加大。     

风扇叶片飞失下的结构降载机理

利用简化的转子有限元分析模型,从转子临界转速、支点动态载荷响应和转子轴心轨迹等方面进行了有无降载设计的对比分析,研究了风扇叶片飞失下的结构降载机理。结果表明:由于1#支点的熔断设计,低压转子支承由3个支点变为2个支点,风扇振型的临界转速降低,使得风扇转子运行在超临界转速上,轴心轨迹半径减小,从而降低高转速下的载荷响应,同时该机理研究采用的方法可用于熔断结构载荷阀值范围的确定以及其降载效果的评估。      

超声速串列静叶积叠优化分析

在进口超声速、气流转折角大的高负荷条件下,静叶通道中激波强度高,激波、附面层干扰引起的损失大,且静叶中三维流动引起的径向载荷分布不均匀,易产生角区分离。叶片积叠优化是提高风扇性能的一项有效技术。采用数值模拟的方式研究了不同积叠形式对优化串列静叶沿展向激波结构,改善叶排间流动匹配的作用。三维流动对比分析可以得出:高负荷串列静叶采用正弓形积叠,叶片展向载荷分布合理,静叶端壁角区分离损失减小,前后叶片排流动匹配较好,风扇性能进一步提高。     

风扇/压气机叶型厚度对颤振特性的影响

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了三维振荡叶栅非定常黏性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。针对三维直叶片和风扇转子叶片,通过调整叶片的相对厚度,研究了叶片厚度变化对风扇/压气机颤振特性的影响。此外,通过对振荡叶栅非定常流场结构的研究,发现了叶片吸力面气流分离与叶片振动之间的耦合关系。本文的研究在风扇/压气机设计中,可用于评估最大相对厚度等叶型结构设计参数对气弹稳定性的影响,对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

钛合金宽弦风扇叶片的振动特性

通过模态仿真和模态试验技术分别对某型号TC4钛合金宽弦风扇叶片的振动特性进行研究。采用ANSYS-APDL软件对风扇叶片模型进行模态仿真分析。根据风扇叶片的坎贝尔图以及不同模态的振型分布,识别风扇叶片的弯扭振型。风扇叶片不同转速不同模态下的转速裕度和频率裕度分析显示:第1阶弯曲模态在红线转速下的转速裕度和频率裕度超过20%,表明风扇叶片满足共振裕度要求。在三轴向振动台上利用扫描式激光测振仪,采用敲击法和随机带宽激励的方法测量叶片的响应,分析了风扇叶片不同模态的冲击响应特性和多轴响应特性,发现风扇叶片在周向和轴向激励下的响应以低阶弯曲模态为主,而在径向激励下的响应以扭转和复合模态为主,不同激励位置不同模态的响应特性与风扇叶片的振型息息相关。      

宽弦风扇叶片造型对碰摩振动的影响规律

基于造型叠加建立了参数化的宽弦风扇叶片模型,利用碰摩动力学研究了叶片造型对于机匣碰摩振动的影响规律。宽弦风扇叶片的复杂几何造型可能会增大碰摩的非线性程度,因此有必要研究叶片几何外型对于碰摩响应的影响。在圆柱坐标系下建立了叶片造型和几何参数间的关系,得到了风扇叶片的参数化模型。利用三次样条拟合简化了叶顶间隙的计算,研究了偏心碰摩工况下基准叶片的振动问题,分析了振动响应、涂层磨损、叶片应力三者间的关联性。基于涂层磨损程度判断不同造型叶片的碰摩特性,实现了针对碰摩-造型相关性的快速分析。计算结果表明:叶根通流角可以显著影响叶身长度,进而改变了叶片固有频率调整碰摩共振的中心频率;叶顶扭转角通过改变最小抗弯刚度方向,可有效减小碰摩共振转速区间;相较于前倾叶片,后倾叶片有着更好的碰摩稳定性。      

叶片丢失激励下航空发动机柔性转子系统的动力学响应

为揭示叶片丢失激励下转子系统动力学响应特征,考虑涡扇发动机低压转子刚度/质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征等,建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型。对突加不平衡激励及持续碰摩约束下转子系统动力学响应特性进行分析。结果表明:所建立转子动力学模型可以有效反映叶片丢失激励下转子冲击振动和复杂简谐振动响应特征。在突加不平衡激励下转子系统的瞬态振动响应加剧,具有显著冲击响应特征,并伴有转子横向固有振动。持续碰摩所产生的约束作用可使转子临界转速发生变化,虽然响应幅值降低,但频率成分及转子振动趋于复杂。      

宽弦空心风扇叶片流固耦合作用下的叶片响应分析

利用数值模拟的方法,对宽弦空心风扇叶片在空气场作用下的瞬态响应进行了研究.采用流固耦合数值计算方法,得到了某宽弦空心风扇叶片在非定常边界条件下的变形响应.计算结果表明,叶片在空气场的作用下,最大位移发生在叶片前缘叶尖处,在沿叶展方向与叶片内部芯板结构沿叶展方向分布重合处产生应力集中,应力值由叶片表面向叶片内部逐渐减小,内部芯板虽然厚度较薄,但分布应力值均较小,且应力集中发生在叶片表面.气动力与叶片结构之间的耦合作用,使叶片结构模态振型沿周向不再均匀分布.叶片在气固耦合时的变形响应以绕旋转轴的弯曲振动为主,接近叶片的一阶模态变形.      

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

某风机叶片的弯扭耦合颤振问题分析与验证

研究了某风机宽弦转子叶片系统本身的耦合颤振问题,针对该风机转子叶片,理论分析表明原始型叶片存在典型的一阶弯曲与一阶扭转耦合颤振问题.改进型叶片则从转子叶片结构上采取了措施,调整了宽弦转子叶片的一阶弯曲与一阶扭转频率,有效地避免了转子叶片的耦合颤振问题.可靠性累积试车对转子叶片的耦合颤振问题进行了验证,原始型转子叶片80h后因耦合颤振导致转子叶片发生了高周疲劳断裂问题,改进型转子叶片顺利通过了200h的试车考核.      

直升机在机动状态下的桨叶弹击数值模拟

为了研究直升机旋翼桨叶在机动状态下的弹击损伤，在数模模拟中，预先考虑了桨叶在机动状态下的拉力、挥舞力矩、摆振力矩对弹击损伤的影响。针对某型机旋翼桨叶，采用全尺寸有限元模型进行了弹击数值模拟分析。首先使用自编Fortran程序和VABS软件计算了桨叶剖面特性；之后建立了弹性桨叶结构载荷分析模型，采用CAMRIDII软件计算了机动状态下的桨叶载荷；在此基础上，使用NASTRAN软件对桨叶进行瞬态分析，得到桨叶施加载荷的预应力状态；再使用DYTRAN软件，基于自适应接触法，模拟桨叶弹击损伤。研究表明：桨叶结构损伤程度与弹击速度是非线性关系；除了弹击点，大梁与上下蒙皮的过渡区域是二次损伤部位；桨叶抗弹击设计需要考虑结构件之间的刚度匹配问题，以达到最佳的抗弹击吸能效果与最小损伤面积。     

复杂激励下涡轴发动机中央从动锥齿轮故障机理

针对某小型涡轴发动机燃气发生器转子前端中央从动锥齿轮发生的疲劳断裂故障,同时考虑了齿面高频啮合激励作用和转子-从动锥齿轮耦合振动带来的影响,研究了从动锥齿轮的振动响应特征。结果表明:齿面啮合激励会激起从动锥齿轮5节径振型,同时,转子-从动锥齿轮耦合振动会对锥齿轮产生转子转速2倍频(2×)激励,并激起锥齿轮的俯仰模态振型,除此之外,齿面附加约束作用改变了该振型下的振动应力分布、使疲劳裂纹沿径向扩展,与故障现象相符,证明了该故障机理分析的正确性。     

High cycle fatigue failure with radial cracks in gears of aero-engines

The gears in aero-engines perform energy and motion transfer between the High-Pressure Rotor (HPR) and accessories. Firstly, an occurred fault with radial cracks in the driven gear disk was diagnosed as High Cycle Fatigue (HCF) failure through necessary examinations. Analysis of fault tree and test signals indicated that the fracture was relevant to the swing vibration of the driven gear excited by the unbalance excitation on HPR. Secondly, a corresponding mechanism model was established, in which the gear meshing effect was considered, with lateral and swing vibration mode. The Governing Equations (GEs) and the Finite Element Model (FEM) were established and verified. Then, the modal shapes, harmonic response, and transient response were analyzed, indicating that the swing vibration of the driven gear could be significantly excited by the unbalance on HPR, which induced the cracks in the driven gear disk to extend radially. Furthermore, influences of factors on the unbalance response were obtained, in which the unbalance response appeared local minimum points and maximum points. Meanwhile, 1# and 2# bearing stiffness had rather significant influences on the response. Thus it is efficient to modify them to achieve vibration control.