CN111737892A - 一种基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法 - Google Patents

一种基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法，提出了基于等效安全(Effective level of safety，ELOS)的冰撞击发动机风扇转子的符合性分析方法，其中，结合发动机风扇转速、冰片飞行速度、冲击时间间隔和冰片撞击姿态等参数计算得出受损最重叶片理论完整切削冰片次数，将相同数量的冰片并排放置于发动机风扇前，设置合适的计算时间，使得叶片可将并排放置的冰片完整切削，由此即可得到等效于课题要求的受损最严重的叶片情况。这样等效既可大大缩短计算时间。

Description

一种基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法
技术领域
本发明涉及航空发动机吞冰适航符合性验证技术领域，尤其是一种基于等效安全的冰撞击航空发动机风扇转子符合性分析方法。
背景技术
航空发动机需要针对吸入冰片、冰雹等情况进行适航验证，在整机吞咽试验前，必须对风扇转子遭遇冰片、冰雹撞击的工况开展符合性分析，由于条款规定的冰片和冰雹的数量、位置、撞击延续时间的缘故，在目前的数值模拟中，采用瞬态数值模拟的分析手段导致计算时间超长，在分析时效率极度低下，甚至在工程上无法实现。
发明内容
发明目的：本发明提供一种航空发动机风扇吞冰适航符合性验证中的等效分析方法，能够有效缩减瞬态数值模拟的计算时长，提高计算效率，快速评估受损最重叶片的损伤程度，本发明可以为航空发动机抗冰撞试验与分析技术及航空发动机吞冰适航验证技术服务。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法，包括以下步骤：
(1)建立冰片、冰雹撞击风扇分析模型，模型基本结构为两相邻一定距离的冰片或冰雹，以一定的飞行速度撞击恒定转速航空发动机风扇叶片，通用模型参数包括：冰片长度为a，宽度为b，冰雹直径为d，飞行速度为v，相邻冰片间隔距离为m，风扇转速为ω；
(2)进行等效安全分析，辨识设定工况下冰片或冰雹撞击所导致最危险叶片；通过通用模型的参数设置，按照等效计算方法给出被撞风扇叶盘中受损最严重叶片的最大被撞次数；通过最大被撞次数建立等效分析的有限元模型，将同等数量的冰片或冰雹沿叶片周向并排布置于靠近叶片处；
(3)调整分析模型，对冰片、冰雹的位置依据飞行速度、初始空间位置、叶片转速进行计算和平移，缩短冰片或冰雹的飞行时间，缩短计算时长；
(4)进行等效安全数值模拟，得到分析结果。
有益效果：本发明航空发动机风扇吞冰适航符合性验证中的等效分析方法的关键在于提出了受损最重风扇叶片的冲击工况等效方案，通过等效计算所得到的叶片最大切割冰片次数确定冰片并排排列数目，快速预估受损最重叶片的损伤程度。
进一步的，步骤(2)中，按照等效计算方法给出被撞风扇叶盘中受损最严重叶片的最大被撞次数，具体方法如下：
通过已知条件计算出：
叶盘旋转周期：
Figure BDA0002500193970000021
冰片完整通过叶盘所需时间：
Figure BDA0002500193970000022
冰片撞击间隔时间：
Figure BDA0002500193970000023
冰片完整通过叶盘旋转周数：
Figure BDA0002500193970000024
撞击间隔时间叶盘旋转周数：
Figure BDA0002500193970000025
式中t1以宽边为撞击边时的计算方法举例；当长边为撞击边时，将长度a替换为宽度b；当模型为冰雹，将长度a替换为冰雹直径d。
根据以上计算结果进行冰片或冰雹撞击所导致最危险叶片的最大撞击次数分析，分三种情况讨论：
设一关于x1，x2的函数：
F＝x2-INT(x2)+2[x1-INT(x1)]
其中INT(x1)与INT(x2)分别为x1与x2的整数部分，下面分别对F函数不同的取值区间讨论最大撞击次数y的计算方法：
当F＝0时，y＝2INT(x1)；
当0<F<1时，y＝2INT(x1)+1；
当F≥1时，y＝2INT(x1)+2；
以上述计算方法得到的叶片最大撞击次数而建立等效冰撞模型。
进一步的，步骤(2)中，冰片的数量即为冲击次数。
进一步的，步骤(4)中，试验开始后，与冰片最早发生撞击的几枚叶片快速达到与原始模型中最危险叶片等效的撞击工况，由此即提高计算效率而得到最危险叶片的受损情况，达到航空发动机整机吞咽试验的评估要求。
进一步的，在试验中，冰片设置于靠近叶片位置使得叶片在试验时将并排放置的冰片完整切削。
附图说明
图1是本发明中采用的航空发动机风扇冰撞等效模型主视图。
图2是本发明中采用的航空发动机风扇冰撞等效模型侧视图。
具体实施方式
本发明公开一种航空发动机风扇吞冰适航符合性验证中的等效分析方法，请参阅图1及图2所示，为一种航空发动机风扇吞冰适航符合性验证中的等效分析方法的分析实例，下面对采用本发明方法的详细实施步骤进行叙述。
具体实施方案按照以下几个步骤进行：
(1)根据规章要求，建立冰片、冰雹撞击风扇的总体要求和分析模型，模型基本结构为两相邻一定距离的冰片或冰雹，以一定的飞行速度撞击恒定转速航空发动机风扇叶片。在此给出通用模型参数：冰片长度为a，宽度为b，冰雹直径为d，飞行速度为v，相邻冰片间隔距离为m，风扇转速为ω。
(2)进行等效安全分析，辨识设定工况下冰片或冰雹撞击所导致最危险叶片。已知模型的基本参数设置，可按照等效计算方法给出被撞风扇叶盘1中受损最严重叶片的最大被撞次数。通过此计算结果建立等效分析的有限元模型，将同等数量的冰片或冰雹3沿叶片2周向并排布置于与叶片距离较近处，由此可以较高的计算效率得到最危险叶片的受损情况。
(3)调整分析模型，对冰片、冰雹3的位置依据飞行速度、初始空间位置、叶片转速等进行计算和平移，缩短冰片或冰雹的飞行时间，缩短计算机时长；
按照通用模型参数推导出理论最危险叶片完整冰撞次数，具体推导步骤如下：
通过已知条件可计算出：
叶盘旋转周期：
Figure BDA0002500193970000031
冰片完整通过叶盘所需时间：
Figure BDA0002500193970000032
冰片撞击间隔时间：
Figure BDA0002500193970000033
冰片完整通过叶盘旋转周数：
Figure BDA0002500193970000034
撞击间隔时间叶盘旋转周数：
Figure BDA0002500193970000035
式中t1以宽边为撞击边时的计算方法举例。如长边为撞击边，需将长度a替换为宽度b；如模型为冰雹，需将长度a替换为冰雹直径d。
根据以上计算结果进行冰片或冰雹撞击所导致最危险叶片的最大撞击次数分析，分三种情况讨论：
设一关于x1，x2的函数：
F＝x2-INT(x2)+2[x1-INT(x1)]
其中INT(x1)与INT(x2)分别为x1与x2的整数部分，下面分别对F函数不同的取值区间讨论最大撞击次数y的计算方法：
①当F＝0时，y＝2INT(x1)
②当0<F<1时，y＝2INT(x1)+1
③当F≥1时，y＝2INT(x1)+2
以上述计算方法得到的叶片最大撞击次数即可建立等效冰撞模型。
(4)进行等效安全数值模拟，得到分析结果。按照计算要求建立有限元模型，将与最大撞击次数同等数量的冰片沿旋转叶片周向并排建立在与叶片距离较近处，如图1所示。计算开始后与冰片最早发生撞击的几枚叶片会快速达到与原始模型中最危险叶片等效的撞击工况。可大幅缩减计算时间，且满足等效安全。由此即可以较高的计算效率得到了最危险叶片的受损情况，达到航空发动机整机吞咽试验的评估要求。
下面以某冰片撞击工况的等效安全分析进行说明：
已知条件为：叶片旋转一周需要14.63ms，在此时间间隔内冰片会向叶片行进160.90mm；1s的时间叶盘会旋转68.3667圈，第一个被第一枚冰片冲击到的叶片会在9.26ms后受到第二枚冰片3的冲击，此时第二枚冰片向叶片行进了101.90mm。所以，以第一种撞击方式冲击叶片时，受到最严重冲击的叶片会与第一枚冰片完整接触一次，与第二枚冰片完整接触一次；以第二种撞击方式冲击叶片时，受到最严重冲击的叶片会与第一枚冰片完整接触两次，与第二枚冰片完整接触两次。
已知叶片转速远大于冰片的行进速度，可以近似认为叶片对于冰片的作用等同于切削。分别对两种撞击姿态进行分析，以长边撞击叶片时，经计算得，受到最严重冲击的叶片会将冰片撞击侧完整切削两次；而以短边撞击叶片时，受到最严重冲击的叶片会将冰片撞击侧完整切削四次。
本方案中重点关注受到最严重冲击叶片的损伤情况，所以让其中少数若干枚叶片受到上述计算所得的最大冲击次数即可。则方案如图1所示，将一定数量冰片沿周向并排放置于与叶片叶缘相近处(冰片的数量即为冲击次数)，设计合适的计算时间，使得叶片可将并排放置的冰片完整切削，由此即可得到等效于课题要求的受损最严重的叶片情况。这样等效既可大大缩短计算时间。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立冰片、冰雹撞击风扇分析模型，模型基本结构为两相邻一定距离的冰片或冰雹，以一定的飞行速度撞击恒定转速航空发动机风扇叶片，通用模型参数包括：冰片长度为a，宽度为b，冰雹直径为d，飞行速度为v，相邻冰片间隔距离为m，风扇转速为ω；
(2)进行等效安全分析，辨识设定工况下冰片或冰雹撞击所导致最危险叶片；通过通用模型的参数设置，按照等效计算方法给出被撞风扇叶盘中受损最严重叶片的最大被撞次数；通过最大被撞次数建立等效分析的有限元模型，将同等数量的冰片或冰雹沿叶片周向并排布置于靠近叶片处；
(3)调整分析模型，对冰片、冰雹的位置依据飞行速度、初始空间位置、叶片转速进行计算和平移，缩短冰片或冰雹的飞行时间，缩短计算时长；
(4)进行等效安全数值模拟，得到分析结果。
2.根据权利要求1所述的基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法，其特征在于：步骤(2)中，按照等效计算方法给出被撞风扇叶盘中受损最严重叶片的最大被撞次数，具体方法如下：
通过已知条件计算出：
叶盘旋转周期：
Figure FDA0002500193960000011
冰片完整通过叶盘所需时间：
Figure FDA0002500193960000012
冰片撞击间隔时间：
Figure FDA0002500193960000013
冰片完整通过叶盘旋转周数：
Figure FDA0002500193960000014
撞击间隔时间叶盘旋转周数：
Figure FDA0002500193960000015
式中t1以宽边为撞击边时的计算方法举例；当长边为撞击边时，将长度a替换为宽度b；当模型为冰雹，将长度a替换为冰雹直径d。
根据以上计算结果进行冰片或冰雹撞击所导致最危险叶片的最大撞击次数分析，分三种情况讨论：
设一关于x1，x2的函数：
F＝x2-INT(x2)+2[x1-INT(x1)]
其中INT(x1)与INT(x2)分别为x1与x2的整数部分，下面分别对F函数不同的取值区间讨论最大撞击次数y的计算方法：
当F＝0时，y＝2INT(x1)；
当0<F<1时，y＝2INT(x1)+1；
当F≥1时，y＝2INT(x1)+2；
以上述计算方法得到的叶片最大撞击次数而建立等效冰撞模型。
3.根据权利要求1或2所述的基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法，其特征在于：步骤(2)中，冰片的数量即为冲击次数。
4.根据权利要求1或2所述的基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法，其特征在于：步骤(4)中，试验开始后，与冰片最早发生撞击的几枚叶片快速达到与原始模型中最危险叶片等效的撞击工况，由此即提高计算效率而得到最危险叶片的受损情况，达到航空发动机整机吞咽试验的评估要求。
5.根据权利要求4所述的基于等效安全的冰撞击发动机风扇转子符合性分析方法，其特征在于：在试验中，冰片设置于靠近叶片位置使得叶片在试验时将并排放置的冰片完整切削。
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