CN109815582B

CN109815582B - 离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法

Info

Publication number: CN109815582B
Application number: CN201910053718.XA
Authority: CN
Inventors: 刘扬; 全昌彪; 皮滋滋
Original assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Current assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109815582A

Abstract

本公开提供了一种离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，属于航空发动机技术领域。该分析方法包括建立初始模型，所述初始模型包括离心叶轮的模型和围绕所述离心叶轮的至少一个***静子件的模型；确定一保留区域，并去除各个所述***静子件的模型在所述保留区域以外的部分，获得各个所述***静子件的修正模型；根据各个所述***静子件的修正模型，计算各个所述***静子件的总势能；根据所述离心叶轮的模型，计算所述离心叶轮的动能；根据各个所述***静子件的总势能和所述离心叶轮的动能，判断所述离心叶轮轮盘失效包容性是否满足要求。该分析方法能够通过理论计算方法实现对离心叶轮轮盘失效包容性的分析。

Description

离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法

技术领域

本公开涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法。

背景技术

包容能力是指转子发生破裂或者叶片断裂后，机匣足够坚固以将这些碎片包容在机匣之内。航空动力一旦发生非包容事件，极可能会导致机毁人亡的严重航空事故。一般民航飞机上都配备多台发动机，如果某台发动机出现故障或停车，其它发动机仍能保证飞机安全飞行。但若发动机发生非包容事故造成飞机油箱泄漏失火、操纵失灵、液压机构无法动作等二次破坏，将直接威胁飞机的安全。因此，研究叶片、轮盘失效时的包容能力在动力研发领域变得十分重要。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，用于通过理论计算方法实现对离心叶轮轮盘失效包容性的分析。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的第一个方面，提供一种离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，包括：

建立初始模型，所述初始模型包括离心叶轮的模型和围绕所述离心叶轮的至少一个***静子件的模型；

确定一保留区域，并去除各个所述***静子件的模型在所述保留区域以外的部分，获得各个所述***静子件的修正模型；

根据各个所述***静子件的修正模型，计算各个所述***静子件的总势能；

根据所述离心叶轮的模型，计算所述离心叶轮的动能；

根据各个所述***静子件的总势能和所述离心叶轮的动能，判断所述离心叶轮轮盘失效包容性是否满足要求。

在本公开的一种示例性实施例中，获取初始模型包括：

获取所述离心叶轮的模型；

获取各个所述***静子件的模型；

去除各个所述***静子件的模型上的特征环形部分以外的部分，所述特征环形部分为与所述离心叶轮的模型共轴心的环形部分。

在本公开的一种示例性实施例中，所述***静子件的数量为至少三个。

在本公开的一种示例性实施例中，确定一保留区域包括：

确定所述离心叶轮的重心；

确定第一锥面，所述第一锥面的顶点设于所述离心叶轮的重心，且所述第一锥面的母线与所述离心叶轮的轴线呈设定夹角；

确定第二锥面，所述第二锥面和所述第一锥面关于一参考平面对称，所述参考平面通过所述离心叶轮的重心且垂直于所述离心叶轮的轴线；

确定所述第一锥面和所述第二锥面之间的区域为所述保留区域。

在本公开的一种示例性实施例中，所述设定夹角为72～78°。

在本公开的一种示例性实施例中，所述设定夹角为75°。

在本公开的一种示例性实施例中，各个所述***静子件的总势能P_E的计算方法为：

其中，m为***静子件的修正模型的数量；V_i为第i个***静子件的修正模型的体积，1≤i≤m；σ_bi为第i个***静子件的材料的强度极限；δ_i为第i个***静子件的材料的延伸率；σ_0.2i为第i个***静子件的材料的屈服强度。

在本公开的一种示例性实施例中，计算所述离心叶轮的动能包括：

计算所述离心叶轮的转动惯量I_P；

计算所述离心叶轮的动能E_K，其中，

其中，n为所述离心叶轮的转速，转动惯量I_P的单位为kg·mm²。

在本公开的一种示例性实施例中，判断所述离心叶轮轮盘失效包容性是否满足要求包括：

计算包容系数，所述包容系数为各个所述***静子件的总势能与所述离心叶轮的动能的比值；

判断所述包容系数是否在设定范围内；

若所述包容系数在所述设定范围内，则判断所述离心叶轮轮盘失效包容性满足要求。

在本公开的一种示例性实施例中，所述设定范围为大于1.0。

本公开的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，通过确定一保留区域并根据该保留区域对各个***静子件模型进行修正，进而使得该分析方法可以实现对离心叶轮轮盘失效包容性的分析。该分析方法不需要大量的机器时间和大量的高应变率材料测试数据，可以在方案设计、工程设计等各阶段使用，能够大量节约研制时间，降低研制成本。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本公开实施方式的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法的流程示意图。

图2是本公开实施方式的初始模型示意图。

图3是本公开实施方式的确定保留区域的示意图。

图4是本公开实施方式的第一静子件的保留部分的示意图。

图5是本公开实施方式的第二静子件的保留部分的示意图。

图6是本公开实施方式的第三静子件的保留部分的示意图。

图中主要元件附图标记说明如下：

1、轮盘；2、叶片；3、第一静子件；31、第一静子件的保留部分；32、第一静子件的去除部分；4、第二静子件；41、第二静子件的保留部分；5、第三静子件；51、第三静子件的保留部分；52、第三静子件的去除部分；A、离心叶轮的重心；B、离心叶轮的轴线；C、第一锥面的母线；D、第二锥面的母线；E、参考平面。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

目前国内、外军用以及民用动力设计规范都对包容性都作了严格的要求，包括航空发动机叶片失效、辅助动力装置轮盘失效时的包容能力分析及考核等。到目前为止，各国在包容能力评估方法主要集中在叶片失效包容方面，如包容系数法和破坏势能法等。

包容系数法的计算过程一般包括：

a)计算叶片动能E_K：

其中，m为叶片断裂部分的质量；n为转子的转速；R_C为叶片断掉部分的质心半径。

b)计算机匣的包容系数C_A：

C_A＝B∑(σ_b·δ·t²)

其中，B为断掉部分的叶片长度；σ_b为机匣材料的强度极限；δ为机匣材料延伸率；t为机匣平均厚度。

c)计算包容安全系数n_C：

n_c＝C_A/E_K.

破坏势能法的计算过程一般包括：

a)计算叶片断裂部分的动能E_K：

b)计算机机匣破坏的总势能A：

其中，L为与机匣碰撞的叶片外缘截面的周长；h为机匣的壁厚；τ_D为机匣材料动态剪切强度极限；K为弯曲变形经验系数；n为剪切变形经验系数。

c)计算包容安全系数n_a：

然而，包容系数法和破坏势能法等理论计算方法仅适用于叶片失效包容，不能用于轮盘失效包容分析。随着计算机技术的发展，基于冲击动力学的数值模拟方法也得到了发展。举例而言，可以按照如下方法进行数值模拟：

步骤1、导入航空器及航空发动机数字样机模型，并对其进行简化；

步骤2、模拟航空发动机转子碎片生成以及碎片从发动机机匣中飞出后的轨迹，将碎片对简化后的数字样机进行穿透性检测；

步骤3、通过对穿透性检测结果与航空器灾难性危险的最小危险组合单元进行对比，判断危险事件是否被触发；

步骤4、根据步骤3得到的危险触发分析结果，求出航空器在不同失效模式下的灾难性危险概率。

数值方法可以用于轮盘失效包容性分析，但由于目前材料本构、失效模型精度问题，以及数值模拟需要大量的机器时间和大量的高应变率材料测试数据(测试数据难以获得)，使得该方法在实际工程使用中具有较大局限性。

本公开提供一种离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，如图1所示，该分析方法可以包括：

步骤S110，建立初始模型，初始模型包括离心叶轮的模型和围绕离心叶轮的至少一个***静子件的模型；

步骤S120，确定一保留区域，并去除各个***静子件的模型在保留区域以外的部分，获得各个***静子件的修正模型；

步骤S130，根据各个***静子件的修正模型，计算各个***静子件的总势能；

步骤S140，根据离心叶轮的模型，计算离心叶轮的动能；

步骤S150，根据各个***静子件的总势能和离心叶轮的动能，判断离心叶轮轮盘失效包容性是否满足要求。

本公开的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，通过确定一保留区域并根据该保留区域对各个***静子件模型进行修正，能够实现对离心叶轮轮盘失效包容性的分析，克服了包容系数法、破坏势能法等理论计算方法不能够应用于离心叶轮轮盘的缺陷。与数值模拟方法相比，本公开的分析方法不需要大量的机器时间和大量的高应变率材料测试数据，可以在方案设计、工程设计等各阶段使用，能够大量节约研制时间，降低研制成本。

下面结合附图对本公开实施方式提供的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法的各步骤进行详细说明：

如图2所示，在步骤S110中，初始模型包括离心叶轮的模型和围绕离心叶轮的至少一个***静子件的模型，且离心叶轮的模型和各个***静子件的模型处于装配姿态。

初始模型可以为三维几何模型，该三维几何模型可以通过UG、AutoCAD、SolidWorks等建立，也可以通过三维扫描仪等对离心叶轮实体和各个***静子件实体扫描而建立，本公开对此不做特殊的限定。

根据图2可知，该离心叶轮的模型可以包括轮盘1和叶片2。***静子件的种类和数量可以根据发动机的结构进行确定。一般而言，发动机的机匣部分均可以作为***静子件。举例而言，在一实施方式中，***静子件的数量为三个，分别为第一静子件3、第二静子件4和第三静子件5，其中，第一静子件3可以为径向扩压器的第一部分，第二静子件4可以为径向扩压器的第二部分，第三静子件5可以为外罩。

在一实施方式中，在步骤S110中，还可以去除各个***静子件的模型上的特征环形部分以外的部分，特征环形部分为与离心叶轮的模型共轴心的环形部分。如此，初始模型中的各个静子件模型均为与离心叶轮的模型共轴心的环形。

如图3所示，在步骤S120中，可以通过如下方法确定保留区域：

步骤S210，确定离心叶轮的重心A；

步骤S220，确定第一锥面，第一锥面的顶点设于离心叶轮的重心A，且第一锥面的母线C与离心叶轮的轴线B呈设定夹角；

步骤S230，确定第二锥面，第二锥面和第一锥面关于一参考平面E对称，参考平面E通过离心叶轮的重心A且垂直于离心叶轮的轴线B；

步骤S240，确定第一锥面和第二锥面之间的区域为保留区域。

在步骤S210中，可以先确定离心叶轮的轴线B，然后通过计算在离心叶轮的重心A在离心叶轮的轴线B上的位置。

在步骤S220中，可以先确定第一锥面的母线C，第一锥面的母线C的顶点在离心叶轮的重心A且与离心叶轮的轴线B的夹角为设定夹角。然后，使得该第一锥面的母线C围绕离心叶轮的轴线B旋转一周，形成第一锥面。

设定夹角可以为72°～78°，则第一锥面的母线C与参考平面E的夹角为12°～18°。在一实施方式中，设定夹角可以为15°。

在步骤S230中，可以先确定第二锥面的母线D，第二锥面的母线D的顶点在离心叶轮的重心A且与离心叶轮的轴线B的夹角为设定夹角，且第二锥面的母线D与第一锥面的母线C分别在参考平面E的两侧。然后，使得该第二锥面的母线D围绕离心叶轮的轴线B旋转一周，形成第二锥面。

在步骤S120中，可以通过对各个***静子件的模型进行裁切的方式，去除各个***静子件的模型中保留区域以外的部分，获得各个***静子件的修正模型；***静子件的修正模型，为***静子件的保留部分的模型。可以理解的是，各个***静子件的模型并不必然需要被裁切，当一***静子件完全处于保留区域时，其无需被裁切，即该***静子件与该***静子件的保留部分具有相同的结构。举例而言，如图3所示，第一静子件3一部分在保留区域以内，其余部分在保留区域以外，因此其被裁切为第一静子件的保留部分31(如图4所示)和第一静子件的去除部分32；同样的，第三静子件5被裁切为第三静子件的保留部分51(如图6所示)和第三静子件的去除部分52。第二静子件4全部处于保留区域，因此第二静子件4和第二静子件的保留部分41(如图5所示)具有相同的结构。

步骤S130，可以根据各个***静子件的修正模型，计算各个***静子件的总势能P_E，计算公式为：

其中，m为***静子件的修正模型的数量，即***静子件的数量；V_i为第i个***静子件的修正模型的体积，1≤i≤m；σ_bi为第i个***静子件的材料的强度极限；δ_i为第i个***静子件的材料的延伸率；σ_0.2i为第i个***静子件的材料的屈服强度。

可以理解的是，所计算的各个***静子件的总势能P_E，为各个***静子件的保留部分的势能之和。

步骤S140，可以通过如下方法计算离心叶轮的动能E_K：

步骤S310，计算离心叶轮的转动惯量I_P，I_P＝∫r²dm。

其中，r为离心叶轮上的质点距离离心叶轮的轴线B之间的距离，单位为mm；m表示离心叶轮上的质点的质量，单位为kg；转动惯量I_P的单位为kg·mm²。

步骤S320，计算离心叶轮的动能E_K，其中，

其中，n为离心叶轮的转速，转动惯量I_P的单位为kg·mm²。

步骤S150中，可以根据各个***静子件的总势能和离心叶轮的动能来计算包容系数n_a，并根据包容系数n_a来判断离心叶轮轮盘失效包容性是否满足要求。

包容系数n_a的计算公式为n_a＝P_E/E_K；在计算出包容系数n_a后，可以判断包容系数是否在设定范围内；如果包容系数在设定范围内，则判断离心叶轮轮盘失效包容性满足要求。

在一实施方式中，设定角度为75°，则设定范围为大于1.0。如果包容系数n_a大于1.0，则判断离心叶轮轮盘失效包容性满足要求。

本公开的分析方法在某些航空辅助动力装置中得到应用和验证，利用本公开的分析方法对离心叶轮轮盘包容性进行分析并对叶轮外罩、涡壳等***静子件的厚度进行了减薄设计(总体减重8.2％)，成功通过了包容性考核试验，证明了该方法分析结果准确、可靠。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等，均应视为本公开的一部分。

应可理解的是，本公开不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本公开能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本公开的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本公开延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本公开的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本公开。

Claims

1.一种离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，其特征在于，包括：

根据所述离心叶轮的模型，计算所述离心叶轮的动能；

根据各个所述***静子件的总势能和所述离心叶轮的动能，判断所述离心叶轮轮盘失效包容性是否满足要求；

其中，所述确定一保留区域包括：

确定所述离心叶轮的重心；

确定所述第一锥面和所述第二锥面之间的区域为所述保留区域；

其中，各个所述***静子件的总势能P_E的计算方法为：

其中，m为***静子件的修正模型的数量；V_i为第i个***静子件的修正模型的体积，1≤i≤m；σ_bi为第i个***静子件的材料的强度极限；δ_i为第i个***静子件的材料的延伸率；σ_0.2i为第i个***静子件的材料的屈服强度；

其中，所述计算所述离心叶轮的动能包括：

计算所述离心叶轮的转动惯量I_P；

计算所述离心叶轮的动能E_K，其中，

其中，n为所述离心叶轮的转速，转动惯量I_P的单位为kg·mm²；

其中，所述判断所述离心叶轮轮盘失效包容性是否满足要求包括：

判断所述包容系数是否在设定范围内；

2.根据权利要求1所述的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，其特征在于，获取初始模型包括：

获取所述离心叶轮的模型；

获取各个所述***静子件的模型；

3.根据权利要求1所述的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，其特征在于，所述***静子件的数量为至少三个。

4.根据权利要求1所述的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，其特征在于，所述设定夹角为72～78°。

5.根据权利要求4所述的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，其特征在于，所述设定夹角为75°。

6.根据权利要求1所述的离心叶轮轮盘失效包容性的分析方法，其特征在于，所述设定范围为大于1.0。