突加高能载荷作用下航空发动机结构动态响应及安全性综述

航空发动机在服役期间可能遭受鸟撞、叶片丢失等突加高能载荷的作用,造成发动机整机/部件动力学特性恶化和关键构件的损伤,危及发动机的结构安全性。本文从突加高能载荷复现方法与传递规律、突加高能载荷作用下转子/整机结构响应研究、突加高能载荷作用下关键构件损伤机理三个方面综述了现有研究工作,并针对近年来发展的抗突加高能载荷的安全性设计方法进行了探讨,最后分析了突加高能载荷问题的科学本质及发展趋势,为突加高能载荷作用下航空发动机安全性设计提供了重要参考。

航空发动机叶片丢失整机响应及安全性分析

为了研究航空发动机结构叶片丢失后整机响应与连接结构安全性,在瞬态显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA中建立了真实大涵道比涡扇发动机的全三维有限元模型,并开展了一个转动周期的仿真计算。结果表明:丢失叶片与包容机匣及追随叶片的撞击过程中,撞击力分别在叶尖首次撞击机匣、叶片根部受追随叶片撞击、叶根撞击包容机匣时出现峰值;风扇机匣与承力结构的位移和应力最大值区域随着丢失叶片运动而变化,且始终发生在丢失叶片同一方向上。前轴承和中轴承所受载荷较大,后轴承载荷较小,且随着发动机转动近似正弦曲线。前安装吊耳处位移最大,其次为推力杆前端,后吊耳处位移较小。

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。