航空发动机空气涡轮起动机包容结构研究

为了解某航空发动机空气涡轮起动机包容结构对其包容性的影响,采用 LS-DYNA 软件对空气涡轮起动机的包容性进行数值仿真,并在高速旋转试验台上开展了多次包容性试验。试验中采用涡轮盘预制裂纹的方式,使涡轮均匀破裂成 3 块,针对不同厚度的包容结构和不同的包容环支承结构分别进行包容试验。试验结果表明:在厚壁包容结构试验中轮盘碎块飞出,包容效果不理想;在薄壁包容结构试验中轮盘碎块击穿内层壳体并撞击包容环,轮盘碎块无飞出,包容效果较为理想;在薄壁包容结构试验中采用螺钉固定支承结构,第 1 次试验成功包容,第 2 次试验中涡轮盘被包容但组件倒翻,在第 3 次试验中采用凸台加固支承结构成功包容,表明选用合适的包容结构及其支承结构对确保其具备有效的包容能力十分重要。研究结果对空气涡轮起动机的包容结构设计有很好的指导意义。     

航空发动机真实机匣的包容性试验

为了研究某发动机机匣的包容性, 在旋转试验器上进行了该机匣的包容性试验.试验考虑了相邻叶片的影响, 得到了叶片断裂甩出时的转速、断叶撞击机匣的应变响应和断叶撞击机匣过程的高速摄影照片.试验结果表明, 断叶与机匣碰撞了两次, 第2次撞击时在未断叶片作用下断叶击穿机匣, 机匣的失效模式主要是剪切破坏.采用包容曲线法对机匣的包容性进行了计算, 计算结果与试验结果吻合良好.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研究

为了研究某型发动机机匣的包容性，在立式旋转试验器上进行了包容性试验。在进行叶片飞断转速控制时，提出1 种改 进的预置切口的方法，并通过拉伸试验和有限元法确定了切口预留面积。考虑了相邻叶片对飞断叶片的影响，制定了试验方案，获 得了叶片的飞断转速、断叶与机匣的撞击影像、转子的冲击载荷、试验过程中的轴心轨迹和机匣受到撞击后的动态响应。结果表明： 涡轮叶片在5620 r/min 转速下飞断，准确控制在预定范围内，该型机匣能够包容失效叶片，测试方案合理有效，可为航空发动机机 匣包容性试验提供参考。     

空气涡轮起动机超高转速涡轮包容结构性能分析与研究

针对某型航空发动机超高转速空气涡轮起动机的包容结构开展包容能力分析和验证,选用Johnson-Cook本构模型架构,采用LS-DYNA软件对其包容性进行数值仿真,并首次在超高速旋转试验台上开展针对转速118000r/min的涡轮盘包容性试验.试验结果显示,涡轮盘破碎飞出后,主要特征为对导向器壳体、包容环内壁的撞击以及沿...     

航空发动机典型电起动机包容性仿真

为了解航空发动机电起动机的包容能力,探究轮盘/圆环以外的高能转子失效包容机理,采用ANSYS/LS-DYNA软件开 展了电起动机的包容性数值仿真,分析了转子组件以最大动能形式（3等分）失效与定子组件撞击作用过程。结果表明：电起动机 的转子/定子撞击包容前后形变增加率仅为1.0%,各部件单元等效应力较小,材料未见明显失效,最大等效应力值出现在扣片与定 子冲片的接触面上,转子组件总动能约消耗95.5%,转子冲片碎片与定子组件之间的平均撞击力峰值约为341 kN;该典型电起动 机定子组件具有一定的自包容能力,临界包容转速约为66000 r/min,包容安全裕度为1.89,满足适航条款中的包容性安全要求;电 起动机定子组件的“I”形截面径向夹层结构具有较好的包容性能。结果验证了该典型电起动机的包容能力,对轮盘/圆环以外包容 结构设计具有指导意义。     

立式转子试验设备包容壳体厚度设计

为了解决试验器条件下航空发动机轮盘爆裂产生的能量问题,采用包容曲线法、破坏势能法、2阶段能量法及数值仿真法进行立式转子试验设备包容壳体的厚度设计。计算结果表明:轮盘爆裂后最大碎块为1/3轮盘碎块,并且碎块最大平动动能明显高于平均平动动能;依据已有的试验结果,对得出的结果进行安全性评定;采用2阶段能量法计算得到的结果与试验结果的符合性较好,仿真分析需要准确的失效应变数据以得到可靠结果,最终使用2阶段能量法以3倍安全系数确定包容壳体的厚度应不小于0.2 m。     

航空发动机叶片包容模拟试验与数值仿真研究

为研究航空发动机机匣对断裂叶片的包容性,进行了高速飞断平板叶片撞击同心圆筒的试验,并利用MSC．Dytran软件仿真计算了试验过程。经对比,计算结果和试验结果吻合性较好。通过对结构塑性动力学响应和叶片变形过程的分析,指出了叶片断裂时的不同转速对撞击过程及结果的影响。     

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。     

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。     

材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果的影响研究

为优化航空发动机轮盘结构设计,节约轮盘破裂转速预测成本,借助GH4169轮盘材料拉伸性能数据,采用基于塑性失稳准则和大变形有限元分析的轮盘破裂转速预测方法,分别利用双线性、多线性及非线性材料本构模型,分析探讨了材料性能分散性对轮盘破裂转速预测的影响.结果表明,在典型分散范围内考虑材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果有一...     

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。     

基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统

为了在切断通电线圈不能应用的场合实现对数据采集设备及时准确地控制,自行开发了基于振动幅值的机匣包容试验数据采集触发系统。通过对以往机匣包容试验采集得到的旋转轴振动数据进行研究,在叶轮爆裂瞬间旋转轴振动值出现较大程度的阶跃突变,利用旋转轴的振动信号作为触发源,前置变换器和位移振幅测量仪对振动信号数据加工处理,实现当振动超过设定阀值时,控制数据采集设备进行数据采集。经试验验证表明:该系统触发及时,可靠性高。     

Containment ability and groove depth design of U type protection ring

High-energy rotor uncontained failure can cause catastrophic damage effects to aircraft systems if not addressed in design. In this paper, numerical simulations of three high-energy rotor disk fragments impacting on U type protection rings are carried out using LS-DYNA. Protection rings with the same mass and different groove depths are designed to study the influence of the groove depth. Simulation results including kinetic energy and impact force variation of single fragment are presented. It shows that the groove depth infects both the axial containment ability of the protection ring and the transfer process of energy. The depth of groove ought to be controlled to an appropriate value to meet both the requirement of axial containment and higher safety factor. Verification test on high-speed spin tester has been conducted and shows that protection ring with appropriate U structure can resist the impact of the disk burst fragments. The ring is inflated from a circular to an oval-triangle shape. The corresponding simulation shows good agreement with the test.     

模型机匣/叶片的包容性数值分析

应用有限元分析方法研究了模型叶片飞断后撞击模型机匣的响应,模拟了不同厚度机匣结构和不同材料的模型叶片以及叶片不同飞断转速下机匣的包容能力,对不同应变率下机匣的响应进行了计算和对比分析,并评价了主要参数对机匣响应的影响。计算结果与试验结果对比表明两者具有较好的一致性。      

环形编织层板冲击包容数值模拟

为分析航空发动机复合材料机匣对破断叶片的包容,采用有限元仿真方法开展了计算研究。通过旋转体与机匣冲击破坏过程的计算,确定机匣的包容能力。基于具备显式求解功能的商用有限元软件Abaqus/Explicit,采用3维实体单元网格,将2维3轴编织的碳纤维层合材料简化成连续的正交各向异性材料,通过软件提供的Vumat用户子程序接口编写Fortran代码定义材料模型,计算与转轴分离后的模拟断裂叶片对机匣的冲击过程。通过冲击后的临界转速和能量吸收数据,比较了模拟计算与实物旋转冲击模拟试验的结果,二者具有较大的可比性。虽然计算中还缺乏材料基本性能表征的理想数据,但在多种工况下仿真计算表明模拟结果稳定,有望成为复合材料包容分析实用有效的方法。     

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。      

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.     

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。