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。     

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。     

航空发动机宽弦风扇叶片鸟撞损伤模型标定

为建立航空发动机风扇叶片抗鸟撞载荷能力的量化预测方法,针对特定的航空发动机宽弦风扇叶片设计,依据发动机在典型工作状态下的吸鸟速度、角度等撞击参数开展叶片鸟撞试验,采用显式动力学数值仿真方法,建立叶片鸟撞试验仿真分析模型,并通过对模型中叶片材料参数、鸟体本构模型参数、鸟与叶片耦合接触参数进行敏感度分析,对模型进行标定.结果表明,标定后的鸟撞分析模型所预测的叶片损伤模式与试验结果一致,预测的损伤位置与试验测量结果误差小于10%.      

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。      

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.     

大涵道比涡扇发动机风扇叶片动应力测量试飞

为了给风扇叶片设计验证和改进提供依据,针对大涵道比涡扇发动机风扇叶片的结构特点和振动强度设计要求,获取了飞行中发动机风扇叶片的振动特性,对风扇叶片振动强度进行了仿真分析,并将分析结果应用于测试方案设计,对飞机和发动机本体进行了改装,建立了飞行试验方法。基于充分的技术准备,完成了国内首次大涵道比涡扇发动机风扇叶片动应力测量试飞,填补了国内试飞领域的技术空白,掌握了发动机风扇叶片动应力测量试飞技术,为中国开展航空发动机转子叶片动应力测量的研制试飞和适航审定试飞奠定了基础。     

外物撞击航空发动机转子叶片速度估算

以飞机进气道为参照系,利用动量定理推导了外物在飞机进气道内运动的速度方程;以叶片为参照系,建立了外物撞击速度及撞击角度的表达式。为直观显示不同因素对速度变化的影响,以某型飞机及其发动机为例,研究了飞机离地时,发动机100%设计转速下,外物在飞机进气道内运动速度的变化规律。结果表明:影响运动速度的因素不仅包括外物的材质、形状、大小及姿态,而且涉及飞机进气道长度、发动机工作状态等;外物撞击方向与叶片表面不垂直。      

叶片飞失转子动力特性及支承结构安全性设计

针对航空发动机在叶片飞失极限载荷下的支点载荷控制问题,建立综合考虑冲击、惯性非对称、减速过临界等多种力学过程的支点动载荷响应分析方法;提出针对止推支点的缓冲阻尼支承结构安全性设计,该结构可以通过控制支承结构的刚度、阻尼参数,调整转子系统动力特性,降低转子临界转速。通过支点动载荷响应分析方法定量评估缓冲阻尼结构对降低支点动载荷的有效性。通过试验证明转子系统在冲击-减速过程中对支点载荷的影响因素。结果表明:叶片飞失所产生的冲击作用和减速过临界过程是威胁支承结构承载能力的主要因素。采用缓冲阻尼支承结构能够使叶片飞失下转子系统的支点动载荷降低至20%,是一种有效的支承结构安全性设计。     

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.      

民用航空发动机润滑系统适航审定技术分析

润滑系统对航空发动机的润滑、散热、清洁、防腐等有重要作用,润滑系统的安全影响着发动机整体的安全。研究发动机润滑系统的审定基础与安全性对我国自主研制发动机润滑系统十分重要。首先对航空发动机润滑系统涉及的适航条款及标准规范进行分析,再针对润滑系统的功能和部件故障模式及影响分析(failure mode and effect analysis,简称FMEA)展开研究。最后从润滑系统设计、润滑系统部件试验、滑油姿态试验、滑油中断试验和整机试验5部分展开审定分析,形成了一套完整的润滑系统安全性审查方法指南,为局方提供润滑系统的适航审定支持。     

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.     

航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。      

风扇转子动特性试验与分析

转子不平衡是引起发动机振动的主要原因。针对风扇转子工艺状态平衡良好,但工作状态不平衡量较大所引起振动偏大的现象,对其变化规律及影响因素开展转子动特性试验。采用卧式转子试验器测量风扇转子在工作转速范围内各截面的振动响应,利用三圆法测算出转子动不平衡量在高、低转速间存在的明显差异,主要是套齿连接结构刚度变化及叶片工作状态差异引起。通过窄带跟踪滤波提取出转子在各典型转速下基波弹性线,发现风扇转子本身未发生较大挠曲变形,为准刚体状态。其相位测试结果表明:风扇转子与多功能轴间存在明显的非同步振动规律。     

高涵道比涡扇发动机结构与力学性能定量评估

针对高涵道比涡扇发动机结构设计需求,提出转子系统、承力系统和整机的结构效率评估参数,建立了结构设计参数与力学特征参数之间的联系。典型发动机评估结果表明:受大尺寸风扇限制,高涵道比涡扇发动机低压转子系统的平均应力系数在0.2~0.3之间,低于其他类型的航空燃气涡轮发动机。在工作转速范围内,低压转子不可避免地存在弯曲型临界转速,须将转子连接结构设计在低应变能区域。机动飞行中,整机的转静间隙值变化范围为［-1.4,1.0］mm,低压涡轮是间隙控制的重点位置。      

前缘侵蚀对风扇转子叶片气动特性的影响机理

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,数值模拟了航空发动机风扇转子叶片在航线运行过程中受到侵蚀效应后的气动特性衰变情况,为后续的精细化维修奠定理论基础。风扇转子叶片侵蚀后,叶片前缘将逐步蜕变为钝头叶型并且伴随有明显的表面粗糙度。为了简化研究,假设侵蚀后的转子叶片前缘粗糙度均匀分布,分别计算了前缘粗糙度为120 μm、250 μm两种前缘侵蚀程度下的风扇转子特性。研究结果表明,风扇转子峰值效率相比于原型叶片依次下降了1.63%和2.39%。当前缘粗糙度为250 μm时,风扇转子叶片吸力面前缘近壁面极限流线有分离迹线产生,出口平均马赫数下降2.03%。     

民用航空发动机持续转动适航要求研究

中国民用航空规章CCAR 25 R4《运输类飞机适航标准》要求航空发动机的持续转动不会危及飞行安全。围绕25.903（c）款并对比33.74条和33.92条,从条款的内容、制定背景、修订原因以及技术内涵四个方面全面分析了适航审定对航空发动机持续转动的要求。从发动机合格审定和飞机合格审定两个角度分析了适航符合性验证的基本内容,为工业方理解适航条款提供参考,为局方开展型号合格审定工作提供支持。     

进气畸变条件下压气机转子叶片的 振动特性研究

航空发动机研制及适航要求中均明确提出发动机零部件的振动特性分析和测试要求,包括评估进气流场畸变对振动特性的影响。对某航空发动机压气机第1级转子叶片进行振动特性计算分析,开展自然进气和进气畸变条件下的叶片振动应力测试。计算分析和测试结果表明:计算分析结果与自然进气条件下测试的叶片共振转速及振动频率一致性好,其激振源主要是压气机结构因素;在进气畸变条件下激振源更丰富,与自然进气条件相比,叶片会被激起额外的振动,且在同一共振转速下振动幅值较大,进气畸变对转子叶片的振动特性产生重要影响。在发动机研制过程中,为提高叶片工作的可靠性,需要加强进气畸变条件下的叶片振动特性试验研究。     

航空发动机风扇叶片硬物冲击损伤特征

通过对国内近20年民用航空发动机风扇叶片外物损伤数据调研与统计分析,筛选最具典型特征的硬物冲击损伤数据,依据发动机维修手册对风扇叶片损伤类型特征进行了分类,研究损伤类型与发动机类型的相关性和差异性、损伤发生位置特征、损伤尺寸特征等内容.分析结果表明:发动机风扇叶片硬物冲击损伤类型表现出多样化特征,其中缺口和凹坑两类损伤类型发生概率较大,而且不同损伤类型在特定发动机型号中又存在一定的差异性.通过对损伤位置与尺寸特征的分析,表明风扇叶片的损伤位置存在一定的集簇统计规律,缺口的损伤尺寸特性存在一定的统计分布规律.研究结果能够为航空发动机风扇叶片实际的维护维修工作提供相关技术参考.      

考虑流固耦合效应的航空发动机风扇叶片应力数值模拟与试验测量研究

航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明：考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。     

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.