一种发动机涡轮叶片全包线振动应力确定方法及系统与流程

本发明涉及航空发动机涡轮叶片设计，公开了一种发动机涡轮叶片全包线振动应力确定方法及系统。

背景技术：

1、发动机涡轮叶片工作过程中受周向不均匀来流等激励因素的影响，会产生共振，在叶片叶身等部位造成一定的振动应力。而当叶片承受振动应力水平超出许用值时，往往会出现高周疲劳裂纹或断裂，影响发动机工作安全。

2、目前国内外研究机构均是通过采用动应力测量手段，实测获取台架条件下发动机叶片工作状态的振动应力。但是由于受到测试改装条件限制，实际测量叶片数量往往难以覆盖全级叶片，同时发动机台架试验并不一定能够完全模拟到发动机全工作包线可能的进气条件，因此无法通过测试直接获取到叶片在发动机全包线的最大振动应力水平。大量的试验结果表明，发动机涡轮叶片振动应力会随发动机进口温度、压力、流量等因素的变化而变化，这种情况下，有限的测量数据将无法保证获取到发动机全包线范围内可能的最大振动应力，基于实测振动应力的叶片安全性评价将偏危险，一旦发动机后续使用过程中叶片遭受到超出实测值的振动应力水平，将会造成叶片高周疲劳裂纹或断裂等危险的后果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种发动机涡轮叶片全包线振动应力确定方法及系统，能够实现发动机涡轮叶片全包线最大振动应力的准确分析，显著提升发动机涡轮叶片工作可靠性。

2、为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

3、一种发动机涡轮叶片全包线振动应力确定方法，包括：

4、依据发动机工作包线范围，选取多组涡轮叶片动应力测试进气条件，开展测试叶片动应力试验，得到不同进气条件下每个测试叶片的振动应力；每组所述测试进气条件包括进口总温、进口总压和质量流量；所述测试叶片包括同级涡轮叶片中最低频率的叶片和最高频率的叶片；

5、计算不同进气条件下所有测试叶片振动应力均值和对应进气条件下所有测试叶片的变异系数；

6、计算得到对应进气条件下涡轮叶片进气激励强度综合系数，其中进口激励强度综合系数，为地面标准大气条件100%工作状态时的发动机涡轮叶片进口总温，为地面标准大气条件100%工作状态时的涡轮叶片进口总压，为地面标准大气条件100%工作状态时的涡轮叶片进口质量流量，为测试进气条件下的发动机涡轮叶片进口总温，为测试进气条件下的涡轮叶片进口总压，为测试进气条件下的涡轮叶片进口质量流量；

7、以进口激励强度综合系数为自变量，对应进气条件下的振动应力均值为因变量，建立振动应力均值随进口激励强度系数变化的函数关系式；

8、基于振动应力均值随进口激励强度系数变化的函数关系式，预测发动机工作包线内待分析进气条件下所有涡轮叶片的振动应力均值；

9、根据预测得到的待分析进气条件下所有涡轮叶片的振动应力均值，以及所有测试叶片的变异系数平均值，计算待分析进气条件下的最大振动应力值。

10、进一步地，所述进气条件包括发动机地面运转状态、起飞状态以及空中长时巡航状态对应的进口总温、进口总压和质量流量。

11、进一步地，以进口激励强度综合系数为自变量，对应进气条件下的振动应力均值为因变量建立振动应力均值随进口激励强度系数变化的函数关系式，包括：

12、建立振动应力均值相对于进口激励强度系数的函数，利用不同进气条件下涡轮叶片进口激励强度综合系数值以及对应振动应力均值拟合得到系数、的值，其中为所有测试叶片振动应力均值。

13、进一步地，计算不同进气条件下所有测试叶片振动应力均值的方法包括：

14、第组进气条件下所有测试叶片振动应力均值；

15、第组进气条件下所有测试叶片的变异系数；

16、其中表示第个测试叶片在第组进气条件下的振动应力值，=1，2，...，，为选定的测试叶片的数量，=1，2，...，，为选定的进气条件的组数。

17、进一步地，根据预测得到的待分析进气条件下所有涡轮叶片的振动应力均值，以及所有测试叶片的变异系数平均值，采用统计学分析方法计算待分析进气条件下的最大振动应力值，其中为预测得到的待分析进气条件下所有涡轮叶片的振动应力均值，为单侧容限系数，为修正系数，，为组进气条件下所有测试叶片的变异系数平均值。

18、为实现上述技术效果，本发明还提供了一种发动机涡轮叶片全包线振动应力确定系统，包括：

19、数据采集模块，所述数据采集模块用于获取发动机工作包线范围多组测试进气条件下每个测试叶片的振动应力；每组所述测试进气条件包括进口总温、进口总压和质量流量；所述测试叶片包括同级涡轮叶片中最低频率的叶片和最高频率的叶片；

20、分析模块，所述分析模块用于计算不同进气条件下所有测试叶片振动应力均值和变异系数，以及计算得到不同进气条件下涡轮叶片进气激励强度综合系数值，其中进口激励强度综合系数，为地面标准大气条件100%工作状态时的发动机涡轮叶片进口总温，为地面标准大气条件100%工作状态时的涡轮叶片进口总压，为地面标准大气条件100%工作状态时的涡轮叶片进口质量流量，为测试进气条件下的发动机涡轮叶片进口总温，为测试进气条件下的涡轮叶片进口总压，为测试进气条件下的涡轮叶片进口质量流量；

21、拟合模块，所述拟合模块用于以进口激励强度综合系数为自变量，对应进气条件下的振动应力均值为因变量，建立振动应力均值随进口激励强度系数变化的函数关系式；

22、预测模块，所述预测模块用于根据振动应力均值随进口激励强度系数变化的函数关系式，预测发动机工作包线内待分析进气条件下所有涡轮叶片的振动应力均值；

23、输出模块，所述输出模块用于根据预测得到的待分析进气条件下所有涡轮叶片的振动应力均值，以及所有测试叶片的变异系数平均值，计算并输出待分析进气条件下的最大振动应力值。

24、进一步地，所述拟合模块中，根据振动应力均值相对于进口激励强度系数的函数，利用不同进气条件下涡轮叶片进口激励强度综合系数值以及对应振动应力均值拟合得到系数、的值，其中为所有测试叶片振动应力均值。

25、进一步地，所述分析模块中通过计算获得第组进气条件下所有测试叶片振动应力均值；通过计算获得第组进气条件下所有测试叶片变异系数；其中表示第个测试叶片在第组进气条件下的振动应力值，=1，2，...，，为选定的测试叶片的数量，=1，2，...，，为选定的进气条件的组数。

26、进一步地，所述输出模块中，采用统计学分析方法计算待分析进气条件下的最大振动应力值，其中为预测得到的待分析进气条件下所有涡轮叶片的振动应力均值，值表示单侧容限系数，为修正系数，，为组进气条件下所有测试叶片的变异系数平均值。

27、与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：

28、本发明基于现有试验条件，利用发动机工作包线范围有限的真实测试数据，对发动机全包线涡轮叶片振动应力的准确分析和预测，得到涡轮叶片全包线最大振动应力，实现发动机涡轮叶片全包线最大振动应力的准确分析，能够显著提升发动机涡轮叶片工作可靠性。