航空发动机风扇叶片与机匣刮蹭分析及结构设计

作者： 柴象海   史同承   王少辉   张执南   来源： 航空动力学报 年份： 2019 文献类型 ： 期刊 关键词： 风扇机匣   刮蹭   宽弦风扇叶片   结构设计   涡扇发动机  

描述： 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。

航空发动机风扇叶片冲击加强轻量化设计

作者： 柴象海   张执南   阎军   刘传欣   来源： 上海交通大学学报 年份： 2020 文献类型 ： 期刊 关键词： 轻量化设计   航空发动机   宽弦风扇叶片   3D打印   拓扑优化  

描述： 以提高风扇叶片抗冲击性能为目标,以空心率为约束条件,进行风扇叶片创新构型设计优化,并通过试验件加工和性能评估,验证所设计方案的合理性.建立了瞬态冲击载荷静力学等效方法,获取了风扇叶片在工作状态下能够有效抵抗鸟撞冲击载荷的最优质量分布.基于优化结果,建立了低质量、高抗冲击性能的风扇叶片几何构型.通过3D打印风扇叶片优化构型试验件,进行加工工艺可行性和优化构型试验件的力学性能评估,验证了优化设计方案的工艺可实现性、静力性能和抗鸟撞性能.结果表明:上述优化方法的建立能够为航空发动机空心风扇叶片设计提供可行的技术手段,使得叶片空心率提高到45%以上,并显著提升叶片抗冲击性能.

航空发动机风扇叶片冲击加强轻量化设计

作者： 柴象海   张执南   阎军   刘传欣   来源： 上海交通大学学报 年份： 2021 文献类型 ： 期刊 关键词： 轻量化设计   航空发动机   宽弦风扇叶片   3D打印   拓扑优化  

描述： 以提高风扇叶片抗冲击性能为目标,以空心率为约束条件,进行风扇叶片创新构型设计优化,并通过试验件加工和性能评估,验证所设计方案的合理性.建立了瞬态冲击载荷静力学等效方法,获取了风扇叶片在工作状态下能够有效抵抗鸟撞冲击载荷的最优质量分布.基于优化结果,建立了低质量、高抗冲击性能的风扇叶片几何构型.通过3D打印风扇叶片优化构型试验件,进行加工工艺可行性和优化构型试验件的力学性能评估,验证了优化设计方案的工艺可实现性、静力性能和抗鸟撞性能.结果表明:上述优化方法的建立能够为航空发动机空心风扇叶片设计提供可行的技术手段,使得叶片空心率提高到45%以上,并显著提升叶片抗冲击性能.

航空发动机短舱泄压门冲击载荷结构拓扑优化技术研究

作者： 侯亮   柴象海   白国娟   金智献   来源： 航空科学技术 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空发动机   减重   冲击动力学   拓扑优化   应力  

描述： 部分航空发动机零部件的工作载荷类型属于冲击载荷,采用静力学强度判定准则无法证明其设计符合性,导致无法采用静力学载荷对其进行结构优化,需要建立基于冲击动力学载荷的航空发动机结构拓扑优化方法。以航空发动机泄压门铰链为研究对象,通过结构冲击动力学载荷拓扑优化技术研究,建立短舱腔压导致的泄压门弹开载荷作用下拓扑优化方法,提高泄压门铰链强度裕度,解决泄压门强度考核试验中出现的铰链断裂问题。基于冲击动力学载荷的航空发动机结构拓扑优化方法,能够避免动力学等效静载荷误差,优化结果更加符合载荷传力特征,为航空发动机零部件减重和应力降低优化提供了有效的解决途径。

航空发动机短舱泄压门冲击载荷结构拓扑优化技术研究

作者： 侯亮   柴象海   白国娟   金智献   来源： 航空科学技术 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空发动机   减重   冲击动力学   拓扑优化   应力  

描述： 部分航空发动机零部件的工作载荷类型属于冲击载荷,采用静力学强度判定准则无法证明其设计符合性,导致无法采用静力学载荷对其进行结构优化,需要建立基于冲击动力学载荷的航空发动机结构拓扑优化方法。以航空发动机泄压门铰链为研究对象,通过结构冲击动力学载荷拓扑优化技术研究,建立短舱腔压导致的泄压门弹开载荷作用下拓扑优化方法,提高泄压门铰链强度裕度,解决泄压门强度考核试验中出现的铰链断裂问题。基于冲击动力学载荷的航空发动机结构拓扑优化方法,能够避免动力学等效静载荷误差,优化结果更加符合载荷传力特征,为航空发动机零部件减重和应力降低优化提供了有效的解决途径。

航空发动机鸟撞适航符合性数值模拟研究

作者： 李俊杰     柴象海     金先龙     杨培中   来源： 振动与冲击 年份： 2024 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空发动机   适航符合性   中鸟鸟群   风扇叶片   鸟撞  

描述： 航空发动机鸟撞适航认证通常基于整机试验，整机鸟撞数值仿真，受发动机结构复杂性影响，存在计算效率、吸鸟关键参数不易确定等问题，而不被工程采纳。而为验证航空发动机吸鸟符合性，进行整机鸟撞数值分析是一种经济高效的方式。基于航空发动机整机鸟撞数值仿真需求，开展航空发动机模型简化建模和关键吸鸟参数提取方法研究。首先，基于光滑流体动力学方法，考虑工作条件下发动机鸟撞损伤和传力路径上关键部件关系和相互作用，建立了基于航空发动机整机关键零部件等效建模的鸟撞有限元模型。其次，对航空发动机鸟撞适航符合性要求进行分解，确定了造成叶片结构损伤的关键吸鸟参数。最后，基于最严苛情况的整机鸟撞有限元模型，研究了大鸟、中鸟鸟群和大型群鸟导致的转动不平衡、不平衡载荷传递和叶片损伤。数值模拟结果表明大鸟的撞击对航空发动机结构安全的威胁最大，鸟群撞击导致的叶片损伤范围更广。基于整机的鸟撞数值模拟对于航空发动机的结构安全性设计和适航认证是非常具有价值的。

航空发动机可磨耗涂层在不同碰磨场景下的有毒物质产生机理

作者： 孙杨慧   陈勇   王少辉   侯乃先   孙建刚   来源： 表面技术 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： 有毒物质   热裂解   碰磨机理   铝硅聚苯酯  

描述： 目的 获得铝硅聚苯酯涂层在发动机不同碰磨条件下磨削物的尺寸、内部结构与其热分解特性的关系，进而揭示有毒气体产生的机理。方法 应用LS–DYNA软件计算压气机在不同运行工况下叶片的伸长量与伸长率，定义碰磨场景。应用等离子喷涂技术（APS）制备铝硅聚苯酯涂层，利用高温超高速可磨耗试验机模拟碰摩场景并开展碰摩试验。利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）表征不同碰摩场景下磨削物颗粒的尺寸、形貌与成分。利用气相色谱–质谱连用仪对不同尺寸、形貌及内部结构的磨削物颗粒开展热分解试验，获得热分解规律及导致客舱引气污染的有害物质。结果 高转速（183 m/s）、低进给率（28μm/s）条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为30.8μm；高转速（183 m/s）、高进给率（257μm/s）条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为74μm；低转速（52 m/s）、低进给率（28μm/s）条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为101.8μm；低转速（52 m/s）、高进给率（257μm/s）条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为119.4μm。当涂层磨削物颗粒尺寸大于100μm时，在210℃附近未发生热解，仅在550℃附近有明显的热解反应；当涂层磨削物颗粒尺寸小于75μm时，在210、550℃附近都有明显的热解现象，且都会产生苯、甲苯等有害物质。结论 线速度基本一致的条件下，磨削物颗粒尺寸与进给率成正相关；进给率基本一致的条件下，磨削物颗粒尺寸与进给率成负相关。磨削物颗粒的热稳定性与颗粒的尺寸、内部结构相关。涂层在高转速下热效应明显，涂层骨架中的聚苯酯发生部分坍塌，内部结构遭到破坏，导致磨削物在低温下发生热解反应，且产生的有害物质会污染客舱引气。

航空发动机可磨耗涂层在不同碰磨场景下的有毒物质产生机理

作者： 孙杨慧   陈勇   王少辉   侯乃先   孙建刚   来源： 表面技术 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： 有毒物质   热裂解   碰磨机理   铝硅聚苯酯  

描述： 目的 获得铝硅聚苯酯涂层在发动机不同碰磨条件下磨削物的尺寸、内部结构与其热分解特性的关系，进而揭示有毒气体产生的机理。方法 应用LS–DYNA软件计算压气机在不同运行工况下叶片的伸长量与伸长率，定义碰磨场景。应用等离子喷涂技术（APS）制备铝硅聚苯酯涂层，利用高温超高速可磨耗试验机模拟碰摩场景并开展碰摩试验。利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）表征不同碰摩场景下磨削物颗粒的尺寸、形貌与成分。利用气相色谱–质谱连用仪对不同尺寸、形貌及内部结构的磨削物颗粒开展热分解试验，获得热分解规律及导致客舱引气污染的有害物质。结果 高转速（183 m/s）、低进给率（28μm/s）条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为30.8μm；高转速（183 m/s）、高进给率（257μm/s）条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为74μm；低转速（52 m/s）、低进给率（28μm/s）条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为101.8μm；低转速（52 m/s）、高进给率（257μm/s）条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为119.4μm。当涂层磨削物颗粒尺寸大于100μm时，在210℃附近未发生热解，仅在550℃附近有明显的热解反应；当涂层磨削物颗粒尺寸小于75μm时，在210、550℃附近都有明显的热解现象，且都会产生苯、甲苯等有害物质。结论 线速度基本一致的条件下，磨削物颗粒尺寸与进给率成正相关；进给率基本一致的条件下，磨削物颗粒尺寸与进给率成负相关。磨削物颗粒的热稳定性与颗粒的尺寸、内部结构相关。涂层在高转速下热效应明显，涂层骨架中的聚苯酯发生部分坍塌，内部结构遭到破坏，导致磨削物在低温下发生热解反应，且产生的有害物质会污染客舱引气。

外物冲击损伤对航空发动机风扇叶片影响研究

作者： 孙乐     张卓     张锴     郑百林     史同承     张刚     高德水   来源： 力学季刊 年份： 2024 文献类型 ： 期刊 关键词： 损伤模式   冲击载荷仿真   FOD   轻气炮试验  

描述： 为研究外来物对航空发动机风扇叶片造成的损伤特征差异，以6 mm、10 mm、14 mm尺寸的304钢球作为冲击物，某型号退役航空发动机叶片作为靶板，通过轻气炮系统开展不同冲击位置处的外物损伤试验，并基于率相关本构模型构建了有限元模型，将基于仿真模型冲击响应后的FOD (Foreign Object Damage)损伤区域与试验损伤区域进行对比，两者在尺寸以及形状等方面取得了较高的一致性．之后利用构建的模型研究了冲击位置、角度以及小球尺寸对冲击响应过程中速度变化趋势的影响．结果表明，叶片不同位置处的抗冲击能力有很大区别，且小球尺寸对损伤区域具有决定性影响；此外还发现损伤模式不同时，小球剩余速度的变化趋势也不相同．

航空发动机转子不平衡量突增的自动识别

作者： 马会防     张执南     万召     陈亚龙     虞磊   来源： 航空发动机 年份： 2024 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空发动机   振幅突增   转子   自动识别   不平衡量突增   振幅稳定   振动特征   多傅里叶变换滤波  

描述： 为实现在航空发动机振动信号分析时因封严胶条脱落发生的转子不平衡量突增的自动识别，采用多傅里叶变换（FFT）滤波技术获得转速跟踪滤波后的基频振动时域信号，提出了振幅突增和突增后振幅稳定的转子不平衡量突增的2种特征，通过应用案例对振动信号的程序化进行处理，得到转速跟踪滤波后的基频振动时域信号及转子不平衡量突增的识别参数，数据结果中振幅增大比例系数达到3.75，且突增后振幅稳定。结果表明：采用FFT滤波技术，实现了转子不平衡突增的自动识别，并验证了识别方法的有效性。转子不平衡量突增的识别技术应用于在线监测系统时，能及时识别故障并发出报警信息，保证设备运转的安全；应用于离线振动信号分析系统时，缩短了人工数据分析时间，提高了工作效率。