某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機槳扇葉片抗鳥撞數(shù)值模擬分析

趙 龍， 胡靖宇， 賈 瑞， 尹佳林

（沈陽航空航天大學民用航空學院， 遼寧 沈陽 110136）

引言

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機，早起曾被稱為槳扇發(fā)動機（Propfan Engine） 或無涵道風扇發(fā)動機（Unducted Fan Engine），是一種利用燃氣通過動力渦輪輸出軸功率來傳動槳扇的燃氣渦輪發(fā)動機，它既可以被看作是帶有先進高速螺旋槳的渦槳發(fā)動機，也可被看作是除去外涵道之后的渦扇發(fā)動機。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機具有多個寬弦、薄葉型的后掠槳葉，雙排對轉(zhuǎn)，外圍無罩。通常情況下，它能夠在較高的飛行速度下保持不錯的推進效率，通常開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的有效涵道比為25～60[1]。經(jīng)實驗驗證，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機相較于常規(guī)的渦扇發(fā)動機節(jié)約20%～30%[2]，可以說它是一種集渦扇發(fā)動機的高速飛行以及渦槳發(fā)動機的低油耗于一身的新型發(fā)動機，深受各國發(fā)動機龍頭公司的青睞。

然而隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機的數(shù)量以及航班次數(shù)顯著增加，同時鳥撞事故的數(shù)量也在急速增多。一般情況下，鳥撞事故會發(fā)生在飛機的起飛和降落階段，而鳥撞事故的嚴重程度往往取決于鳥撞到飛機的部位、鳥與飛機的相對速度以及鳥的質(zhì)量[3]。據(jù)統(tǒng)計，最容易受到鳥類撞擊的部位是風扇的發(fā)動機葉片以及風擋[4]。針對鳥撞問題，早在20世紀90 年代陳偉等人就針對鳥撞問題做了很多基礎(chǔ)性的研究，先后針對載荷影響下的葉片鳥撞問題進行了動響應(yīng)分析、對不同應(yīng)變率下的葉片運用數(shù)值模擬方法進行瞬態(tài)響應(yīng)分析以及鳥撞后的損傷分析[5]，伍國卿等人運用MAC 產(chǎn)品對復合材料葉片的動強度特性驚醒了仿真分析，并且對復合材料葉片進行了鳥撞實驗[6]，R.H.Mao 等人建立了鳥撞擊平板的數(shù)值計算模型，并對該模型進行了驗證[7]。

本文研究的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機是雙排對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，相較于單排旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的發(fā)動機，它的效率可以提高6%～10%，可以節(jié)約燃料，其次它可以在相同葉片直徑的前提下產(chǎn)生兩倍的推力，同時，雙排對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的發(fā)動機可以在接觸地面時改變自身的槳距，產(chǎn)生強勁的反推力[8]。但是，由于雙排對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的發(fā)動機的葉片都在發(fā)動機外，在起飛和降落過程中其遭遇到鳥撞的風險就會增加。

因此，本文基于ANSYS 有限元分析軟件，建立了鳥撞某型號開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機槳葉數(shù)值計算模型，研究了發(fā)動機正常工作狀態(tài)下飛鳥撞擊葉片不同位置時，對葉片造成損傷的情況，為開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機抗鳥撞設(shè)計提供了參考。

1 數(shù)值計算模型

1.1 開式轉(zhuǎn)子葉片模型

某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機槳葉外形如下頁圖1 所示，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的風扇組成不同于其他渦扇葉片，它是由葉片和轉(zhuǎn)子連接環(huán)（如下頁圖2 所示）組合而成的[9]。利用SOLIDEWORKS 軟件繪制開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的葉片和轉(zhuǎn)子連接環(huán)并組合在一起，如下頁圖3 所示，每個轉(zhuǎn)子連接環(huán)上連接8 片槳葉，可知每兩片葉片之間的夾角為45°。設(shè)定該開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機槳葉材料為鈦合金，楊氏模量定為120 GPa，設(shè)定密度4 450 kg/m3，泊松比定為0.3，屈服應(yīng)力定為1.1 GPa，塑性硬化模量定為1.1 GPa。利用ANSYS 軟件建立葉片的有限元網(wǎng)格模型，如下頁圖4 所示，采用六面體和四面體的混合單元，葉片與轉(zhuǎn)子連接環(huán)之間由一圓柱體相連，因此葉片會與連接環(huán)剛體隨動[10]。槳葉材料的動態(tài)應(yīng)變率的本構(gòu)模型是一個雙線性應(yīng)力應(yīng)變模型，可以由硬化方程（1）來表述。其中：是動態(tài)應(yīng)力，δ0（ε）是靜態(tài)屈服應(yīng)力是應(yīng)變率，D 和p 是材料的動態(tài)硬化應(yīng)變率的模型參數(shù)。

圖1 某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片外形

圖2 某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機轉(zhuǎn)子連接環(huán)外形

圖3 某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機風扇全尺寸模型

圖4 葉片有限元網(wǎng)格模型

1.2 鳥體模型

相較于飛機，鳥的體積很小可以，近似地將鳥體用一個兩端是半球體中間是圓柱體的膠囊狀實體代替，如圖5 所示[11]。鳥體材料選用塑性動力學材料，球體的內(nèi)半徑為58.1 mm，圓柱長度為232.4 mm，鳥體質(zhì)量約為1.7 kg，計算得鳥體密度為520.39 kg/m3，將楊氏模量定為10 GPa、泊松比定為0.3、屈服應(yīng)力定為1.1 MPa、切線模量定為5 MPa，失效應(yīng)變?yōu)?.25。使用ABAQUS 軟件生成的SPH 粒子總數(shù)為 3 988 個。

圖5 鳥體模型

1.3 分析工況

假設(shè)鳥與飛機的相對速度為130 m/s，方向定為與葉片轉(zhuǎn)動平面相垂直，分別撞擊開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機葉片的葉根、葉中和葉梢，將這三個撞擊位置分別定義為工況一、工況二以及工況三，如表1 所示。

2 仿真結(jié)果模擬及分析

利用ANSYS 仿真軟件中的Workbench LS-DYNA 進行仿真模擬，可以得到以下的仿真結(jié)果。圖6中分別給出了鳥撞葉片的三種工況下葉梢的位移隨時間變化的曲線，圖7 中分別給出了鳥撞葉片的三種工況（葉根、葉中及葉梢）下的總變形分布云圖。

表1 工況說明表

圖6 葉稍位移曲線

圖7 總變形（mm）分布云圖

從圖中可以看出，在工況一時，鳥體撞擊到槳葉的根部，鳥體的大部分將會從槳葉下方穿過，這個時候鳥體仍然具有較大的質(zhì)量和速度，極有可能影響到開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的下一級槳葉，對下一級槳葉造成損傷，同時由于葉根單元的等效應(yīng)力突增，有可能會造成葉片發(fā)生斷裂；在工況二時，鳥體撞擊到槳葉的中部，此過程會對葉片造成較大的傷害，但是基本不會影響到下一級的槳葉，相對來說危害最?。辉诠r三時，鳥體撞擊到槳葉的尖部，鳥體大部分會從葉尖劃過，但是對葉片造成的形變是最大的，并且有可能會發(fā)生塑性形變，會導致槳葉無法正常工作，同時，在工況一和工況三中都存在形變最大的區(qū)域，也就是說，當鳥體撞擊葉根和葉梢的時候會對葉片造成的傷害比撞擊葉中大。綜上所述，鳥體撞擊葉片中部的危險最小，其次是撞擊葉根，撞擊葉梢的危險最高。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明：鳥擊撞擊該型號的槳葉葉片的機械損傷程度與飛鳥撞擊的位置有很大的關(guān)系，當鳥體撞擊槳葉的梢部時，會對葉片造成較大的傷害，有可能會造成塑性形變，當鳥體撞擊葉片根部時，鳥體會從葉片與連接環(huán)中的縫隙中穿過，可能會對下一級的槳葉造成傷害，或者由于葉根單元的等效應(yīng)力突增使槳葉發(fā)生斷裂，當鳥體撞擊葉片的中部時，僅對被撞擊葉片造成傷害，不會影響下一級葉片。實際中應(yīng)盡量避免葉片與高動能的鳥體發(fā)生碰撞，本研究可為后續(xù)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的葉片設(shè)計提供理論指導。