航空发动机气动打磨仪结构设计与优化

发布时间：2020-11-05 22:23

　　 航空发动机是飞机的核心部件,在发动机工作过程中,总是存在沙尘、小石块等物体对发动机叶片造成损伤,如果此类损伤不及时进行修复,会因为裂纹扩展而造成整个叶扇的断裂失效。本文针对发动机叶片修复问题,设计一款气动打磨设备,实现在不拆卸发动机情况下的叶片修磨功能。论文应用动网格技术对叶轮在气压作用下的被动旋转状态进行数值模拟,并设计实验对数值模拟结果进行验证,最后通过数值模拟方法实现叶轮结构的优化。首先,针对作业任务要求,完成了气动打磨仪的设计:通过设计打磨头角度调整机构,实现了打磨头多角度打磨;设计的进给机构可实现打磨头不同进给量的磨削;视觉系统中的内窥镜设备可实现对打磨情况的实时观测。然后,针对打磨头轴线与来流方向存在角度的实际工况,应用被动型动网格技术对叶轮被动旋转过程进行数值模拟,通过用户自定义函数定义叶轮的物理属性,实现了叶轮在未知运动状态下的被动旋转过程。通过对速度矢量图的分析,验证了气动原理的合理性。根据数值模拟所得转速数据,应用Sigmoid函数对其进行数值拟合,采用插值法和数值积分,得出不同气压作用下转速对时间变化的经验公式。通过设计的实验对其进行验证,经验公式计算结果与实验结果的误差在10%以内,验证了数值模拟的准确性。最后,通过对叶轮力学模型的分析,得出影响叶轮气动性能的主要参数,针对不同叶片间距和不同叶扇曲率对叶轮气动性能的影响,得出气动性能最佳叶轮的几何参数,实现了叶轮的优化。
【学位单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V263.6
【部分图文】：

1.1.1 航空发动机叶片损伤现象航空发动机是飞机的关键部件，是精密复杂的高技术产品，其大量零部件都是在十分恶劣的环境下工作，承受着高温、高压和高转速的工作负荷，以满足高性能的要求，并确保安全可靠地运行[1-3]。在各种飞机的飞行环境中，总是存在沙尘、石块、飞鸟、金属块或金属碎片等各种各样的物体，当飞机起飞降落和低空飞行时，由于其进气气流产生巨大的吸力，上述物体很容易被吸进发动机气流通道，打在发动机前端的风扇、压气机叶片或其他部位，给发动机的性能或结构带来十分不利的影响[4]。其中一类由小的石块、金属块或大的沙粒等“硬物”对发动机叶片带来的损伤，在国内外发动机设计规范、标准或手册中，均被称为“外物损伤”，简称 FOD。严重的 FOD 事件可能使叶片直接折断或者在被打伤后因承载能力大幅度下降，使叶片在很短的时间内断裂失效。脱落的发动机叶片还可能继续打在其他叶片或者发动机机匣处，从而引发一系列的断裂失效事故。对于某些不严重的 FOD 事件，虽然在短时间内不会引发重大事故，但是 FOD 裂纹可能会在载荷作用下继续产生裂纹或者扩展，导致叶片的断裂失效，也会引发重大的安全事故[5-7]。

1.1.1 航空发动机叶片损伤现象航空发动机是飞机的关键部件，是精密复杂的高技术产品，其大量零部件都是在十分恶劣的环境下工作，承受着高温、高压和高转速的工作负荷，以满足高性能的要求，并确保安全可靠地运行[1-3]。在各种飞机的飞行环境中，总是存在沙尘、石块、飞鸟、金属块或金属碎片等各种各样的物体，当飞机起飞降落和低空飞行时，由于其进气气流产生巨大的吸力，上述物体很容易被吸进发动机气流通道，打在发动机前端的风扇、压气机叶片或其他部位，给发动机的性能或结构带来十分不利的影响[4]。其中一类由小的石块、金属块或大的沙粒等“硬物”对发动机叶片带来的损伤，在国内外发动机设计规范、标准或手册中，均被称为“外物损伤”，简称 FOD。严重的 FOD 事件可能使叶片直接折断或者在被打伤后因承载能力大幅度下降，使叶片在很短的时间内断裂失效。脱落的发动机叶片还可能继续打在其他叶片或者发动机机匣处，从而引发一系列的断裂失效事故。对于某些不严重的 FOD 事件，虽然在短时间内不会引发重大事故，但是 FOD 裂纹可能会在载荷作用下继续产生裂纹或者扩展，导致叶片的断裂失效，也会引发重大的安全事故[5-7]。

叶片损伤判定描述
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本文编号：2872268