多涵道全对转水空两用发动机概念设计与研究

发布时间：2017-09-10 16:07

  本文关键词：多涵道全对转水空两用发动机概念设计与研究

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【摘要】：航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械,有着“工业之花”的美誉,它对飞机的性能、可靠性及经济性起着决定性的影响。随着科技的进步,飞行器对航空发动机提出的要求也越来越高。具备多栖作战任务能力的水空两用飞行器自然对水空两用发动机提出了新的发展要求,目前随着相关技术的发展和应用需求的推动,水空两用动力装置已成为各国装备领域积极探索研究的热点。为适应新时代对航空发动机的要求,本文在对传统发动机及多项新型发动机技术进行合理取舍、有机整合的基础上,创造性地提出了多涵道全对转水空两用发动机的新概念设计构想。新概念设计取消了中央转轴,以内、外转子层的结构形式实现了压气机、涡轮的同时对转,旨在减小发动机轴向尺寸,减轻发动机结构重量,提高发动机推重比和结构效率。同时以中央涵道为结构基础,集成了金属水反应冲压发动机,实现了新概念发动机的水空两用。通过对新型发动机的工作原理进行分析和对总体方案和相关部件结构进行了概念设计,初步提出了一个相对完整可行的概念设计方案,并尝试建立了发动机整体的三维模型。对于新概念发动机在水中工作关键——金属水反应冲压发动机,以推力F和比冲I为研究对象,初步分析计算了金属水反应冲压发动机的工作效能,通过理论计算与分析可知,得到的推进效果较为满意。使用CATIA软件对金属水反应冲压发动机进行了初步三维建模,选取了金属燃料入口与水入口距离和尾喷口半径两个互相独立的参数作为模拟仿真的研究对象进行流场模拟,得到了燃烧室流场参数随着选定结构参数变化的曲线图。对比分析模拟结果,确定了金属水反应冲压发动机结构模型。模拟结果可为金属水反应冲压发动机的下一步优化设计提供理论依据。针对新发动机采用的新型结构,应用有限元分析方法,对外转子层悬挂叶片和传统压气机动叶模型进行了模拟仿真。对比分析了不同转速值的模拟结果,确定悬挂叶片受到的最大等效应力均未超过材料的屈服极限,能够满足发动机在空中正常工作时对压气机叶片的强度要求。对比分析传统压气机叶片,悬挂叶片受到等效应力小于传统叶片,等效应力的分布优于传统叶片,对叶片材料的要求更低,且悬挂叶片的变形量明显小于传统叶片,可见悬挂叶片相比传统叶片对材料更加友好,可靠性更高。
【关键词】：航空发动机 水空两用 概念设计 模拟分析
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V23
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 研究目的及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-15
• 1.2.1 涡轮风扇发动机的发展历程9-10
• 1.2.2 对转技术的发展历程10-12
• 1.2.3 外骨架发动机技术12-14
• 1.2.4 水空两用发动机的发展历程14-15
• 1.3 主要研究内容15-16
• 1.4 本章小结16-17
• 第2章 多涵道全对转水空两用发动机概念设计及总体方案17-29
• 2.1 多涵道全对转水空两用发动机新概念的提出17
• 2.2 多涵道全对转水空两用发动机概念设计17-28
• 2.2.1 多涵道全对转水空两用发动机设计要求17-18
• 2.2.2 多涵道全对转水空两用发动机方案设计18-20
• 2.2.3 多涵道全对转水空两用发动机总体结构设计20-23
• 2.2.4 多涵道全对转水空两用发动机部分关键结构设计23-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 多涵道全对转水空两用发动机水中工况理论分析29-37
• 3.1 水冲压发动机金属燃料的选择29-31
• 3.1.1 活泼金属与水反应机理29-30
• 3.1.2 水反应金属燃料的选择30-31
• 3.2 金属水反应冲压发动机的理论分析与计算31-34
• 3.3 金属水反应冲压发动机的初步设计34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第4章 多涵道全对转水空两用发动机水中工况模拟分析37-48
• 4.1 数值模拟方法的选择37-40
• 4.1.1 湍流模型37-39
• 4.1.2 通用有限速率模型39-40
• 4.2 流体计算软件Fluent及算法介绍40-41
• 4.2.1 流体计算软件Fluent介绍40
• 4.2.2 SIMPLE算法40-41
• 4.3 金属水反应冲压发动机内流场数值模拟41-47
• 4.3.1 金属水反应冲压发动机计算模型41-42
• 4.3.2 网格生成42
• 4.3.3 边界条件42-43
• 4.3.4 金属水反应冲压发动机数值模拟结果与分析43-47
• 4.3.4.1 金属燃料入口与水入口距离对水冲压发动机效果影响43-45
• 4.3.4.2 尾喷口半径对水冲压发动机效果影响45-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 外转子层悬挂叶片强度分析48-60
• 5.1 有限元方法48-50
• 5.1.1 有限元方法简介48-49
• 5.1.2 有限体积法控制方程49-50
• 5.1.3 有限元分析软件Ansys简介50
• 5.2 外转子层悬挂叶片强度模拟分析50-59
• 5.2.1 计算模型50-51
• 5.2.2 叶片网格划分51-52
• 5.2.3 加载约束52-53
• 5.2.4 计算工况53
• 5.2.5 模拟仿真结果分析53-59
• 5.2.5.1 不同转速条件下应力分布情况对比53-56
• 5.2.5.2 不同转速条件下叶片变形情况对比56-59
• 5.3 本章小结59-60
• 第6章 结论与展望60-62
• 6.1 本文主要研究内容及结论60-61
• 6.2 本文主要创新点61
• 6.3 未来研究展望61-62
• 参考文献62-66
• 发表论文和参加科研情况说明66-67
• 一、攻读硕士学位期间发表的论文66
• 二、攻读硕士学位期间申请的专利66
• 三、攻读硕士学位期间的基金项目66-67
• 致谢67

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本文编号：825262