航空发动机转子超转破裂预测方法评估与应用

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1、中图分类号：V231.95论文编号：102870218-SZ027学科分类号：085232硕士学位论文航空发动机转子超转破裂预测方法评估与应用研究生姓名金小杰专业类别工程硕士专业领域航空工程指导教师宋迎东教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二〇一八年一月南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringEvaluationandApplicationoftheOverspeedBurstP

2、redictionMethodonAero-engineRotorAThesisinAeronauticalEngineeringbyJinXiaojieAdvisedbyProf.SongYingdongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJan,20183南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研

3、究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：5南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文摘要破裂转速分析是航空发动机强度设计的重要内容之一。目前主流破裂预测方法中，平均应力法、Hallinan法、局部应力应变法属于经验性方法，而基于全局塑性失稳准则的预测方法是近些年提出和发展的一种更为符合轮盘超转破裂规律的方法。评估各破裂预测方法的预测能力，采用合适的预测方

4、法研究国外典型发动机多级转子的超转破裂特征，能够为国内航空发动机转子的抗破裂设计提供参考。轮盘与转子在进行超转试验时，径向位移较大，设计不当的转接盘无法保证超转试验的完成和试验精度，需要研究转接盘设计优化方法使超转试验能够顺利进行且具有良好的精度。本文针对上述问题，在前人研究工作的基础上，在轮盘破裂预测方法评估，典型发动机转子的破裂分析，超转试验转接盘设计优化等方面开展了相关试验、理论分析和数值模拟研究。主要工作和结论如下：设计了倾向周向破裂的GH4169轮盘并进行试验，通过两种破裂模式轮盘的试验结果与各方法的预测结果对比发现：全局塑性失稳破裂准则对破裂转速的预测精度在工程接

5、受范围内，能准确地预测试验盘的破裂模式和破裂薄弱位置，是符合轮盘超转破裂规律的方法；平均应力法对破裂转速的预测误差较大，能够准确预测出试验盘的破裂模式；Hallinan经验法只能够预测周向破裂模式的轮盘，预测精度在工程接受范围内；上述两种方法不能预测轮盘的破裂薄弱位置。局部应力应变法预测精度在工程接受范围内，局部应力法可以准确预测轮盘的破裂模式和破裂薄弱位置，局部应变法无法准确预测轮盘的破裂模式。基于全局失稳准则的破裂转速预测方法对某APU整体叶盘转子和国外典型民用涡扇发动机转子进行了破裂预测。预测叶盘破裂转速为145293rpm，破裂裕度为181.6%。叶盘破裂方式为从盘心

6、产生裂纹延伸至辐板靠近盘心部分。叶盘在破裂转速时的高等效应力区域从盘心到轮缘分布均匀，叶盘没有明显的应力集中区域，设计合理。国外典型民用涡扇发动机CFM56-7b的高压压气机转子破裂转速为24150rpm，1级高压压气机盘心部位为破裂薄弱位置。低压涡轮转子破裂转速为20364rpm，1级低压涡轮盘靠近高压涡轮一侧的悬臂引出段为破裂薄弱位置；LEAP-1b的高压压气机转子破裂转速为23724rpm，4级高压压气机轮盘的盘心部分为破裂薄弱位置。低压涡轮转子破裂转速为10229rpm，2级低压涡轮盘心部分为破裂薄弱位置。分析了转接盘设计对轮盘变形和破裂的影响，研究了转接盘的优化方法

7、，对几类典型连接方式进行了转接盘设计与优化，并对其优化前后组合状态进行了超转破裂分析。优化后的转接盘对试验盘破裂转速的影响有效减少，对试验盘破裂薄弱区域的影响显著减少。I航空发动机转子超转破裂预测方法评估与应用关键词：航空发动机，破裂转速，破裂模式，超转试验，转子，整体铸造转子II南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文ABSTRACTTheburstspeedofenginediskisanimportantcontentofmodernaero-enginestrengthdesign.Among