航空发动机双层结构机匣包容准则研究

发布时间：2020-05-21 21:13

【摘要】：航空发动机机匣包容性设计及评估在航空发动机整机研发中占有重要地位。随着双层结构机匣在航空发动机领域中愈来愈广泛地应用,研究一套适用于双层机匣的包容准则将使试验研发的成本大大降低,对航空发动机机匣的预设计及防护评估具有重要意义。本论文对机匣的包容性问题进行系统的理论分析、数值仿真、试验验证等研究,基于绝热剪切理论,提出了一种计算无间隙双层机匣弹道极限的方法,通过数值仿真进行参数修正,经参数修正后的无间隙双层金属机匣弹道极限计算模型,可以计算某总厚的双层机匣在任意内外层板厚度比下的弹道极限。本方法可作为双层机匣包容准则的判定标准之一。本论文对双层金属机匣的包容过程进行理论建模,通过选择打靶模型将机匣的包容性问题进行简化,经理论推导建立了双层无间隙金属机匣的弹道极限计算模型,采用TC4材料进行一系列的数值仿真与试验研究,结果如下:提出了任意形状叶片效力系数k的计算方法,完善了平板条叶片k值的取值范围;通过数值仿真对双层无间隙金属靶板的弹道极限模型进行部分参数修正,得到具有稳定区间的参数取值范围。对双层无金属板的抗冲击能力进行分析,经研究发现,双层无间隙TC4板的抗冲击能力随着内层板厚度的增大先变小后增大,经参数修正的弹道极限模型计算结果与数值仿真及试验结果吻合良好,能较准确的预测双层TC4板的弹道极限速度。对双层有间隙金属靶板的抗冲击能力进行分析,经研究发现,随着间隙的变化,双层间隙板的抗侵彻破坏能力变化复杂,与间隙变化不呈现单调关系。针对包容性整机试验,本文还对叶片飞断方法进行研究,对现有的航空发动机叶片飞断方法进行评估,结合聚能射流侵彻靶板的理论,将聚能切割器用于叶片飞断方法的研究。通过比较圆锥罩与楔形罩发现,楔形罩形成的射流速度更快,能量密度更高;并选择以楔形罩为代表的线型聚能切割器进行数值仿真探讨,改变楔形罩半锥角的大小,探究半锥角对线型聚能切割器切割能力的影响,经研究发现,线性聚能切割法在叶片飞断试验中的应用对机匣整体试验的优化设计具有重要意义。
【图文】：

碎片,发动机,航空发动机,机匣

图１．１．３英国航空公司波音７７７－２００逦图ｌ．ｌ．４波音７４７－３００发动机烧毁逡逑因大量飞行事故带来的严重后果，国内外在军用和民用航空发动机规范中对机匣逡逑的包容能力要求都有专门的条例阐述，如美国联邦航空规则（ＦＡＲ３３）［７］，英国《航空逡逑燃气涡轮发动机通用规范》（00－９７１）［８］，中国《航空发动机适航规定》（ＣＣＡＲ－３３）［９］逡逑等［１（）］。这类规定与条款，主要体现在对发动机机匣包容性的严格设计要求，防止断裂逡逑叶片或轮盘碎片穿透机匣造成重大飞行事故。如今双层金属机匣在航空发动机中应用逡逑愈来愈广泛，目前三大包容准则（英国Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ公司的包容系数法、美国ＦＡＡ的逡逑ＵＥＤＤＡＭ计算公式和俄罗斯的破坏势能法）也均针对单层机匣，而我国目前还未有一逡逑套完整的包容准则，航空发动机的研发作为“十三五”发展规划百项工程的重中之重，逡逑航空发动机包容准则的研宄对我国自主研发航空发动机的重要性不言而喻，不仅能为逡逑工程实践提供坚实可靠的基础，，更能在航空发动机机匣包容性理论的研究上有一个新逡逑的突破。逡逑１．２研究进程逡逑于航空动机的机匣包容性研宄，可分为基于冲击动力学与毁伤力学的理论研逡逑

曲线,破坏势,压气机叶片,涡轮叶片

图２．２．１．１单个压气机叶片包容曲线ｌ５５】逦图２．２．１．２单个涡轮叶片包容曲线【５５］逡逑２．２．２破坏势能法逡逑破坏势能法［５６］是俄罗斯人基于能量守恒原理提出的理论模型，并由试验得到经验逡逑系数以完善公式。破坏势能法考虑了机匣弯曲变形和剪切变形的影响，认为断片的动逡逑能主要转化为使机匣产生弯曲和剪切变形的能量。逡逑在破环势能法中，断片的动能由动能定理得到：N希剑鳎疲玻玻渲校砦掀叔义狭浚唬蛭掀俣取；坏淖苁颇苡赏淝湫文苄『图羟斜湫文芤澹槌伞ｅ义匣皇欠癜萦砂踩凳峙卸ā＃侄ㄒ逦海ュ危杂诰梅㈠义隙螅皱澹玻保埃杂诿裼梅⒍螅皱澹玻保保弦陨弦螅蚺卸ɑ诲义戏习菪砸蟆ｅ义匣坏耐淝湫文苄『图羟斜湫文苠灞硎疚哄义希溴澹絅／７邋Ｗ逡逑ｂ邋２邋ｍａｘ邋ｍａｘ逡逑ｆ邋＝邋ＬｔＴ逡逑ｍａｘ逦０逦（２．２．２．１）逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V232

【参考文献】