基于小样本量的航空发动机材料高低周复合疲劳P-S-N曲线优化方法

航空发动机材料的高低周复合疲劳P-S-N曲线是评估转子部件寿命的重要依据。然而,P-S-N曲线的确定对实验时间和材料成本均有较高的要求。基于物理信息机器学习方法,提出了基于小样本量的高低周复合疲劳P-S-N曲线的优化处理方法。该方法将等效寿命原理及寿命分布一致性判据通过损失函数引入极限学习机(ELM)模型,并考虑了上层输入变量和下层ELM模型参数的双层优化策略。随后通过应用疲劳实验数据,对比分析该方法与数据驱动机器学习方法以及传统P-S-N曲线拟合方法进行。结果表明:该方法不仅有效地解决了拟合过程中应力水平与高低周复合疲劳寿命标准差不呈线性关系的问题,且拟合得到的概率疲劳寿命分布与母体真值更为接近,具有较高的准确性。

全尺寸发动机模拟舱火灾特性试验及仿真研究

针对民用航空发动机的防火需求,以民用涡扇发动机核心机舱作为参照对象,设计并搭建了全尺寸的模拟发动机舱火灾试验台.通过改变冷却气流量、火源类型与功率,研究了发动机核心机舱内的火灾特性.同时,采用开源火灾模拟软件FDS,仿真计算了典型油雾火和油池火工况,并与试验结果进行了对比分析,研究了舱内火灾的发展及温度分布规律.在实验过程中,发现当火灾强度达到一定程度后,舱内会发生爆燃现象.通过构建舱内控制体的守恒方程,并进行理论分析,推测油气比和通风量是影响舱内爆燃发生与否的关键因素.最后,在此基础上拟合了爆燃发生的临界失稳条件.结果表明:在临界条件以上必然发生爆燃,而在其以下存在一个缓冲区,爆燃有一定概率发生.

航空发动机燃烧室机匣烧穿火焰特性试验研究

为研究航空发动机燃烧室机匣发生烧穿时射流火焰的温度、热流密度分布,建立机匣烧穿试验系统,采用单一变量法,研究了喷嘴孔径、油气质量比、外侧空气流速、燃烧室内部压力对射流火焰在轴向上的温度、热流密度分布的影响。结果表明:射流火焰在轴向上的热流密度衰减迅速,在127~254 mm内,热流密度衰减最多,可达81%;喷嘴孔径对于火焰形态、温度、热流密度影响最大;燃烧室内部压力对火焰温度影响可达675℃/MPa;外侧空气流速主要影响火焰轴向254~508 mm区间温度分布;油气质量比对火焰轴向温度影响达18.6%。航空发动机设计时应当考虑在燃烧室机匣薄弱点法线方向外侧254 mm范围内设置挡火板,以防止可能出现的机匣烧穿带来的危害。

陶瓷基复合材料涡轮动叶榫头元件静强度实验及缺陷影响

陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)涡轮动叶榫头是动叶装配与承受离心载荷的关键。为了研究熔渗工艺制备CMC榫头在叶片旋转径向拉伸载荷下的力学行为,验证榫头内部质量对其静拉伸强度与破坏模式的影响,设计并制备燕尾形CMC高压涡轮动叶榫头元件试件,对其进行单轴静态拉伸实验,采用X射线CT无损检测对实验前试件内部质量进行扫描,采用DIC与声发射方法对实验过程进行监测。结果表明:燕尾形CMC榫头在单轴静态拉伸下保持完好接触,其静态拉伸强度与破坏模式对其内部质量(尤其是分层缺陷)非常敏感。试件不含分层缺陷时,损伤起始于榫头颈部,并迅速扩展,损伤起始载荷与最大破坏载荷接近,断口呈横向锯齿状;试件内部含分层缺陷时,损伤起始于缺陷,分层逐渐扩展并导致试件断裂,损伤起始载荷下降99.05%,最大破坏载荷下降14.29%,断口位置与分层缺陷一致。

一种通过估测管路壁温辅助判断管路防火能力的方法

为给出航空发动机管路适航防火试验目视检查试验判据的数据支撑,提出一种在着火区域内外设置温度和应变传感器并通过仿真算出着火区域内试验件表面温度和应变状态的方法。通过研究管路防火试验测试过程中火焰区域内试验件表面温度、试验件表面应力的变化分析,减少管路防火试验目视检查判据的主观性。结果表明,该方法可为试验结果提供数据支撑。

单头部模型燃烧室燃烧组织及NOx排放

采用光学诊断与三维数值模拟结合的方式,研究了中心分级贫油预混预蒸发模型燃烧室燃烧组织与NOx生成特征。试验测量了模型燃烧室流速、燃油、OH和NO组分浓度分布。通过与试验结果对比,采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的方法对流场的预测误差为13.9%,喷雾张角预测误差为6.0%,预测的OH和NO组分分布特征与试验测量结果基本一致。数值结果表明,在单头部模型燃烧室中,主、预燃级火焰以弱耦合的方式组织燃烧,且大部分NO在预燃级高温区域生成。燃油分级比的变化(0.15~0.30)不影响燃烧室流动与火焰分布特征,但对燃烧室出口NOx生成量有一定影响,NOx生成量随着分级比增大而减少。

基于URANS/TPP模型的风扇转静干涉单音噪声预测

为了解决风扇噪声三维高精度评估问题,基于非定常雷诺平均数值模拟(Unsteady Reynolds Average Numerical Simulation,URANS)模型和三平面压力(Triple Plane Pressure,TPP)模态匹配模型,发展了风扇转静干涉单音噪声数值预测方法。分析了URANS模型管道内单音计算的可行性,并建立了误差控制准则。在此基础上,采用URANS模型获得风扇非定常流场,同时基于TPP方法进行声源提取,得到管道内单音噪声的模态特性。基于国产某型大涵道比缩尺风扇试验数据,对模型准确性进行对比验证。结果表明,该模型能够进行转静干涉噪声的可靠预测。此外,进行了基于弯掠静子的低噪声叶片设计,并采用提出的数值模型分析了三维流场/声场,探究了基于叶型设计的转静干涉声源抑制机理,实现了对风扇低噪声设计的支撑。