考虑多工况性能可靠性的航空发动机循环设计方法

为实现航空发动机总体性能设计方法由传统的确定性设计向不确定性概率设计转变,提出基于分布式协同响应面法思想的航空发动机多工况性能可靠性循环优化设计方法:建立了引入非确定性部件性能的航空发动机性能仿真模型,通过试验设计、非设计点性能仿真试验等步骤,构建了各典型工况下发动机推力与耗油率性能可靠度关于设计点循环参数的分布式响应面模型,并以此构建多工况性能协同响应面模型进行循环参数优化设计,最终获得循环参数非劣解集并通过随机试验进行验证。结果表明,通过多工况性能可靠性循环优化设计方法获得的循环参数非劣解集均能使发动机在多个典型工况下的总体性能同时达到不低于97.5%的高可靠度,为设计人员根据实际情况选取循环参数提供依据。      

多级轴流压气机甚高压部件设计探究

以大涵道比涡扇发动机总增压比由50∶1提升至70∶1为目标,设计了串接在某10级23∶1高压压气机之后的5级2.2∶1轴流压气机甚高压部件,探究以全轴流方式提高总增压比的方案的可行性。通过部件总体与一维设计,S2通流反问题与叶片造型,计算流体力学验证,在采用了各级正预旋、转子尖部大落后角、静子正弯等措施后实现了该设计。研究表明:在达到设计指标的情况下,该多级轴流甚高压部件的叶尖间隙可选择为0.2 mm,若取较为常规的0.3 mm叶尖间隙,则其大轮毂比、相对大叶尖间隙等几何特征,将导致失速裕度下降明显,稳定工作范围变窄。另外,在结构方面,全轴流甚高压部件方案还需要解决叶片数量巨大,级成本提高等问题。      

考虑表面加工状态的粉末盘低循环疲劳寿命分析

分析了表面加工状态对疲劳性能的影响,建立了基于Manson Coffin公式考虑表面加工状态的低循环疲劳寿命分析方法。分析不考虑与考虑表面加工状态某FGH96粉末合金盘的低循环疲劳寿命,分析结果表明:表面加工状态对低循环疲劳寿命的影响程度为30%～40%。完成了某FGH96粉末合金盘的低循环疲劳寿命试验,试验结果表明:不考虑表面加工状态的预测寿命分散度大,考虑表面加工状态的预测寿命分散度小。      

非对称载荷下TC17合金超高周疲劳试验

通过试验研究了110Hz和20kHz两种频率正弦式非对称载荷作用下TC17合金材料的疲劳失效行为,结果表明:载荷频率对TC17合金的疲劳强度和疲劳失效机理影响不明显,两种频率载荷作用下TC17合金的疲劳失效均存在表面诱发疲劳失效和内部诱发疲劳失效。表面诱发的疲劳失效主要是由循环载荷作用下试样机械加工缺陷和表面滑移所导致的,内部诱发的疲劳失效主要是由于材料初生α相在非对称循环载荷作用下发生解理断裂而导致的,失效形式的不同使得材料的应力-疲劳寿命（S-N）曲线呈双线性。萌生于TC17合金试样内部的疲劳裂纹可分为3个阶段:初生α相的解理断裂阶段、短裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段。由裂纹萌生区特征可以确定室温条件下,应力比为0.1时,TC17合金疲劳长裂纹扩展门槛值为3.3MPa·m1/2。      

兼顾多状态的核心机驱动风扇级与高压压气机设计

针对变循环发动机压缩系统多模式和多工况的工作特点,开展了核心机驱动风扇级(CDFS)多状态和多目标兼顾设计,CDFS、前涵道引射器和高压压气机气动一体化设计,大攻角范围、低损失可调导叶和静子设计。针对压缩系统的气动设计难点,在设计点选取、叶片造型、流场设计、调节规律设计方面提出了解决措施和优化方向。数值模拟与试验结果表明:实现了压缩系统在多模式下的性能兼顾,达到了预期的流量调节范围和涵道比调节范围,满足了设计指标要求。     

基于局部应力-应变法的飞机起落架车架寿命分析

起落架是飞机结构中的重要组成部分,是飞机的主要承力构件,其工作性能直接影响飞机的起飞性能、着陆性能和安全。首次翻修寿命是一个非常重要的安全参数,而飞机起落架车架是决定起落架翻修寿命的关键构件。本文应用局部应力-应变法的原理,研究在循环载荷条件下某起落架的疲劳(裂纹形成)寿命,并对其裂纹形成寿命和出现裂纹后的剩余强度进行了估算,进而从疲劳断裂方面提出了延长该主起落架首次翻修寿命的理论依据。     

回热循环微型燃气轮机非线性数学模型

建立了回热循环微型燃气轮机非线性动态模型,并考虑模型通用性采用压气机、回热器、透平的变工况解析通用特性建立了静态模型.根据设计参数进行数学模型的实例化,提出解析特性系数确定方法和计算机仿真实现的迭代次序.结果表明:静态特性仿真结果与Capstone C30实际数据之间存在微小偏差,通过更详细的参考数据校正特性解析公式系数可获得与实际数据更好的一致性;采用保持透平进气温度不变的最佳运行方式,空载到满载的动态时间为100s左右,回热器金属壁面平均温度由空载时750K降低到负载时670K.      

某型燃气轮机封严盘的结构优化

为了分析研究某型燃气轮机封严盘均压孔裂纹故障,达到提高疲劳寿命的目的,进行了封严盘故障机理和局部结构修改分析.建立封严盘有限元分析模型,分析了封严盘振动应力分布特点和共振特性,结果表明:均压孔孔边应力水平高是疲劳裂纹的主要原因,针对该原因提出了改进方向.在装配状态下,针对原结构以及均压孔部位进行局部修改的几种情况进行了结构强度对比分析,最终提出了某型燃气轮机封严盘局部结构修改方案,修改后均压孔孔边的应力水平降低16%,屈服强度储备系数由0.891提高到1.069.      

基于寿命件的民航发动机送修目标确定方法

为了科学合理地制定维修工作范围,提出了一种面向全寿命周期的基于寿命件的民航发动机送修目标确定方法.首先以全寿命周期内送修次数最少、寿命件总成本最低、目标在翼总循环最长为优化目标,建立了多目标优化模型;在分析各优化目标的基础上,提出了一种基于分步求解策略的模型求解方法;最后,采用某航空公司一台航发动机的实际数据对提出的送修目标确定方法进行了验证.结果表明提出的方法能够基于妥协系数和各优化目标权重实现全寿命期内送修次数和寿命件总成本的平衡,能够为发动机送修目标的确定提供决策支持,避免了送修目标确定的随意性.     

面向可承受性的飞机总体方案评估方法

现代飞机系统的设计日趋复杂,设计周期和研制风险也随之增加。因此,飞机系统的发展模式正由“性能决定设计,设计决定费用”向“性能和费用目标同时决定设计”转变,从而导致面向可承受性设计方法的出现。通过对可承受性定义的研究,在现有结构模型的基础上,讨论了面向可承受性的飞机总体方案评估方法的分析结构模型,并对相关参数的数学表述作了进一步的分析。籍此建立了更接近实际设计发展需求的飞机总体方案评估模型。