涡扇发动机鸟撞防护装置设计及仿真研究

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1、涡扇发动机鸟撞防护装置设计及仿真研究涡扇发动机鸟撞防护装置设计及仿真研究学校代码:10406分类号: V219 学号: 090080202007南昌 航空 大学硕 士 学 位 论 文(学 位研究 生)涡扇 发动 机鸟撞 防护 装置设 计及 仿真研 究硕 士 研 究 生 : 侯秉 铎导 师 : 许 瑛 教授申 请 学 位 级 别 : 硕 士学 科 、 专 业 : 机械 电子工 程所 在 单 位 : 航空 制造工 程学院答 辩 日 期 : 2 0 1 2 年 6 月授 予 学 位 单 位 : 南昌 航空大 学 T u r b o f a n e n g i n e b i r d c o l l

2、i s i o n p r o t e c t i o nd e v i c e d e s i g n a n d S i m u l a t i o n R e s e a r c hA D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e d f o r t h e D e g r e e o f M a s t e rO n M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n gb b b b y y y y H H H H o o o o u u u u B B B B i i i

3、 i n n n n g g g g d d d d u u u u o o o oU nde r t he S u pe r vi s i on ofP r o fX X X X u u u u y y y y i i i i n n n n g g g gS c h ool O f A e r on a ut i c a l M a nuf a c t ur i n g E ngi n e e r i n gN a n c h a n g H a n g k o n g U n i v e r s i t y , N a n c h a n g , C h i n aJ u n e , 2

4、 0 1 2 摘 要航空发动机防鸟撞问题一直是世界性难题, 关于其鸟撞问题的研究和预防一直以来受到工程设计部门的高度重视。 目前国内外主要通过改进航空发动机叶片的结构和材料性能等综合途径来提高发动机抗鸟撞的能力, 虽然取得了一定的成果, 但效果还远远达不到预期。 而在航空发动机外部加装鸟撞防护机构的设计研究,在国内外还基本上是空白。本文根据航空发动机应用最广泛的涡扇发动机的工作性能及其结构特点,提出了一种全新的鸟撞防护机构设计思路,推导了鸟撞动力学的基本理论, 通过与实验数据的对比, 验证了 SPH 算法对鸟撞问题计算的准确性, 并建立了鸟撞防护机构的三维模型,使用有限元软件对防护机构抗鸟撞进

5、行了受力仿真,找出了符合设计要求的“防护索”材质,证明了防护机构的可行性和安全性。同时本文基于防护机构防鸟撞的设计理念, 提出了利用爆炸冲击波防鸟撞的设计思路, 推导了爆炸冲击波的基本理论及数学物理模型, 计算了爆炸冲击波对+航空发动机稳定性 的影响,通过对计算结果的分析, 阶跃幅值 为 100%P / P0的 冲 击 波 扰 动 对 某 型发 动 机 进 气 风 扇 和 压 气 机 的 稳 定 裕度 损 失 最 大 分 别 为11.6%和 8.9%, 小于此型号发动机失稳的临界点 13.3744%。可见, 利用爆炸冲击波防鸟撞的设计思路是具有可行性的。论文提出了全新的涡扇发动机防鸟撞设计方案

6、, 这对于增强遭受鸟体撞击的发动机安全性、 提高飞机的飞行安全、降低航空公司的财产损失、 挽救旅客的生命等方面都具有很重要的现实意义, 同时为航空发动机防鸟撞方面的研究提供了新思路。关键 词: 航空发动机,鸟撞防护机构,有限元,爆炸冲击波IA b s t r a c tA e r o e ngi ne bi r ds t r i k e a v oi d a nc e i s a l w a ys a di f f i c ul t pr obl e m i n t he w or l d , a bou tt he bi r d i m pa c t pr obl e m r e s e a

7、 r c h a nd pr e ve nt i o n h a s be e n pa i d m or e a t t e nt i on i ne n gi ne e r i ng de s i gn. A t h om e a nd a br oa d a r e m a i nl y t hr ough t h e i m pr ove m e nt o fe n gi ne bl a de s t r uc t ur e a n d m a t e r i a l pr ope r t i e s a n d c om pr e he ns i ve m e a ns t o i

8、m pr ovee n gi ne bi r d c ol l i s i on r e s i s t a nt a bi l i t y, a l t hough obt a i ne d c e r t a i n a c hi e ve m e nt , but t hee f f e c t i s f a r l e s s t ha n e xpe c t e d. W hi l e i n t he a i r ou t s i d e t he e ngi ne i ns t a l l a t i o n ofbi r d i m pa c t pr ot e c t i

9、on m e c ha ni s m de s i gn r e s e a r c h, a t h om e a nd a br oa d i s s t i l lba s i c a l l y i s a bl a nk.A c c or di ng t o t he a vi a t i on e ngi ne pe r f or m a nc e a n d i t s s t r uc t ur e c h a r a c t e r i s t i c s , w epu t f or w a r d a ne w bi r d i m pa c t pr ot e c t

10、i on m e c ha ni s m de s i gn, bi r d i m pa c t dy na m i c si s de r i ve d t he ba s i c t he or y, by a c om pa r i s on w i t h e xpe r i m e nt a l da t a , v e r i f y t he S P Ha l gor i t hm t o bi r d i m pa c t pr obl e m i n c om put a t i ona l a c c ur a c y, a nd t he e s t a bl i s

11、hm e ntof a bi r d s t r i k e pr ot e c t i on m e c ha ni s m of 3D m ode l s , t he u s e of t he f i ni t e e l e m e nts of t w a r e pr ot e c t i on m e c ha ni s m o f bi r d i m pa c t a r e t he f or c e s i m ul a t i on, f i nd o ut t hel i ne w i t h t he de s i gn r e qui r e m e nt s

12、of “ pr ot e c t i ve c a bl e “ m a t e r i a l , pr ove d t hef e a s i b i l i t y a n d s a f e t y of pr ot e c t i ve m e c ha ni s mA t t he s a m e t i m e ba s e d o n t hepr ot e c t i on m e c ha ni s m of bi r ds t r i ke a voi da nc e de s i gn c onc e pt , put f or w a r d t he us e of

13、e x pl o s i ve s hoc k w a ve bi r ds t r i ke a v oi d a nc e de s i gn i de a s , de r i va t i on of t he e x pl o s i ves hoc k w a ve t he or y a nd m a t he m a t i c a l m ode l , c a l c ul a t i o n of t he e x pl o s i ve s h oc kw a ve o n A e r oe ngi ne s t a bi l i t y i nf l ue nc e

14、, t hr ough a na l ys i s of t he c a l c ul a t e d r e s ul t s ,t he s t e p a m pl i t ude of 100% i m pa c t w a ve di s t ur ba nc e on e ngi ne i nt a ke f a n a n d t h ec om pr e s s or s t a bi l i t y m a r gi n l os s e s w e r e 11.6% a n d8.9% , l e s s t ha n t hi s m ode le n gi ne s

15、 t a bi l i t y c r i t i c a l poi nt 13.3744%V i s i bl e , t he u s e of e x pl o s i ve s hoc k w a vebi r d i m p a c t r e s i s t a nt de s i gn i s f e a s i b l eT hi s pa pe r pu t s f or w a r d a ne w a e r oe ngi ne bi r ds t r i k e a voi da nc e de s i gn, w hi c h i st o e n ha nc e

16、s uf f e r e d f or bi r d i m pa c t i ng e ngi ne s a f e t y, i nc r e a s e t he f l i ght s a f e t y ofa i r c r a f t , i n l ow e r a i r w a ys of pr ope r t y l os s , s a ve t he l i ve s of pa s s e nge r s a nd ot h e ra r e a s h a ve a ve r y i m por t a nt pr a c t i c a l s i gni f i c a nc e , a t t he s a m e t i m e f or a e r o- e n gi nebi r ds t r i k e a voi da nc e of r e s e a r c h of f e r s n e w t r a i n of t hought【K K K K e e e e y y y y w w w w or or or or d d d