航空发动机钛火特性理论计算研究

钛火是现代航空发动机的典型灾难性事故,高压压气机机匣等钛合金部件的局部加热是主要的着火源。本研究通过对钛合金等温加热、非等温线性加热以及非等温摩擦加热的着火过程进行模型计算,研究初始加热温度、加热速率、氧浓度和流速等环境因素对着火参数的影响规律,进而给出钛火阻燃设计的建议。结果表明:在等温加热过程中,当加热面温度为1941 K时,临界着火温度约为958 K,着火延迟时间为0.2 s;在非等温线性加热过程中,加热速率为28 K/s、58 K/s及100 K/s的着火延迟时间分别为1.5 s、1.1 s和0.9 s,而临界着火温度基本维持在950K,微凸体直径为16.5μm时,临界着火温度约为765 K,与文献报道的实验结果一致;在非等温摩擦加热过程中,接触应力为26.5 kPa,加热速率为130 K/s时,着火延迟时间为1.4 s,流速为300 m/s时,临界着火温度为1040 K,着火延迟时间为2.8 s,当气流中氧浓度为50%,临界着火温度为920 K时,着火延迟时间为1.5 s;设计防钛火结构时应考虑低速环境下的阻燃性能。

产品设计模块聚类的多目标优化及其应用研究

在产品的模块化协同设计中,设计模块的划分是一个关键问题。为了满足实际应用对模块划分的多方面要求,采用多目标优化方法对设计结构矩阵进行聚类划分,该方法通过粒子群算法建立非支配解集,从中获得理想的划分方案。在聚类优化算法中,为了方便设置粒子的速度,提出了一种简易的编码方式对设计结构矩阵的聚类进行编码,在适应度函数中计算出了每个聚类的联系信息流量,在建立非支配解集时采用拥挤距离方法将多余的解删除。以轻武器模块化协同设计的例子对该方法进行了验证。

钛合金高温摩擦着火理论研究

钛合金燃烧是现代航空发动机的典型灾难性事故,压气机转子与静子的异常摩擦是主要的着火源.本文基于非均相着火理论建立了考虑摩擦热源的钛合金着火模型,推导了着火温度和着火延迟时间的理论计算公式,进而分析摩擦系数、氧浓度、流速、接触半径以及阻燃层等因素对着火参数的影响规律.结果表明:当摩擦接触区的瞬时温度低于临界生热温度时,生热过程由摩擦热主导;当高于临界生热温度时,生热过程由化学反应热主导.降低摩擦系数可以显著提高着火温度,而摩擦系数的变化对着火延迟时间影响很小.着火温度随着氧浓度的增大和流速的减小均呈明显下降趋势.当氧浓度从21%增加至42%、流速从310 m/s下降至50 m/s时,着火温度分别降低约213 K和197 K.实验结果与理论计算值的相对误差为8.3%,验证了模型的可靠性.阻燃层可以明显提高钛合金的着火温度和着火延迟时间,带阻燃层的钛合金的着火温度提高约172 K,着火延迟时间提高约3 s.

阻燃钛合金摩擦着火热源模型及仿真分析

钛火是现代航空发动机的典型灾难性事故,压气机转子与静子的异常摩擦是其主要热源。采用动网格方法结合等效模型建立转子与静子试件的三维热-力-磨损耦合有限元模型,对不同摩擦接触压力和环境温度等条件下550℃阻燃钛合金TF550摩擦着火过程的温度场进行数值建模与仿真分析。结果表明,在室温、200 N摩擦接触压力条件下,TF550钛合金静子试件在7.2 s达到着火温度,此时转子试件温度仍维持在1000 K,比静子试件低约900 K;当摩擦接触压力从200 N增大至400 N时,摩擦着火延迟时间为3.3 s;当摩擦接触压力提升至700 N时,着火延迟时间缩短至2 s以内;在823 K的环境温度下,静子试件的摩擦着火延迟时间为5 s,比室温下的摩擦着火延迟时间缩短了2.2 s;相对于环境温度的影响,摩擦接触压力对TF550钛合金摩擦着火升温速率的影响更大。

钛合金叶片燃烧后冷却过程的三维热流耦合数值模拟

为了理解航空发动机钛火发生后叶片的冷却过程,采用有限元方法结合ROTOR37转子模型,分别对550℃阻燃钛合金(TF550钛合金)和600℃高温钛合金(TA29钛合金)燃烧后压气机通道内温度场、流场进行数值模拟研究。结果表明:相对马赫数对于压气机通道内叶片散热有一定的影响,其中叶尖燃烧区域在0.7~1的低马赫数区域散热能力最佳;相对于前缘燃烧区域,叶尖燃烧区域的冷却过程更为复杂,且冷却速率比前缘燃烧区域低一个数量级;在叶尖燃烧区域内,TF550钛合金和TA29钛合金的冷却温度差异比较显著,在1000~2500K温度区间内的差别最大,前者比后者低100K以上,在300~500K温度区间内前者比后者低30K以内;叶尖燃烧区域流场的温度畸变会增加喘振的剧烈程度,设计叶片时应充分考虑燃烧对喘振裕度的影响。

航空发动机钛合金在微尺度下摩擦着火特性数值计算分析

叶片与机匣的异常摩擦是航空发动机钛火发生的主要热源。将航空发动机钛合金摩擦着火过程的微凸起/微碎片作为研究对象,建立考虑摩擦热源的微尺度着火模型,计算分析了粒径、摩擦系数、氧浓度和流速等因素的影响规律,并与经典模型进行比较。结果表明:临界着火温度及延迟时间随着粒径的减小不断降低,随着摩擦系数下降不断增大,随着氧浓度增加不断降低,随着流速的提高而呈上升趋势;当粒径为82.5μm时,经典模型与摩擦模型的临界着火温度分别为825K和677K,着火延迟时间分别为0.035s和0.032s;当摩擦系数减小0.2时,其临界着火温度提高约20K,而着火延迟时间提高约10s;当氧浓度为50%时,经典模型与摩擦模型的着火温度分别为826K和782K;当流速为310m/s时,经典模型与摩擦模型的着火温度分别为966K和964K,着火延迟时间分别为0.54s和0.43s。