本發(fā)明涉及服役環(huán)境下航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)葉片氣動失效快速評定方法，具體涉及一種前緣掉塊葉片氣動失效概率分析方法。

背景技術(shù)：

1、葉片前緣掉塊是壓氣機(jī)葉片故障的常見形式，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，尤其是軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，服役環(huán)境下不可避免會吸入砂石、飛鳥等硬物，進(jìn)而打傷高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉片。硬物打傷壓氣機(jī)葉片，一方面會對葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，另一方面會影響壓氣機(jī)的氣動特性、使得航空發(fā)動機(jī)的性能發(fā)生衰退。毀傷評估是飛機(jī)戰(zhàn)傷搶修策略、方法需要的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源?，F(xiàn)場評估也稱為毀傷后評估，作為戰(zhàn)傷搶修修復(fù)過程的組成部分，時間是現(xiàn)場評估的關(guān)鍵限制條件，在真實作戰(zhàn)場景下，飛機(jī)遭遇威脅類型多樣、毀傷程度各異、戰(zhàn)傷種類較多，戰(zhàn)傷評估時間取決于戰(zhàn)傷數(shù)量，為確?，F(xiàn)場評估滿足時間約束，應(yīng)保證評估的快速高效性。

2、壓氣機(jī)氣動特性實驗成本較高，數(shù)值仿真分析又存在計算周期長、計算量大的問題，難以直接應(yīng)用于前緣掉塊葉片對壓氣機(jī)氣動特性影響的分析。因此，發(fā)展一種前緣掉塊葉片氣動失效概率分析方法，對于快速評定服役環(huán)境下航空發(fā)動機(jī)葉片是否發(fā)生氣動失效具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對葉片前緣掉塊導(dǎo)致的壓氣機(jī)氣動性能受損的問題，本發(fā)明提出一種前緣掉塊葉片氣動失效概率分析方法，具體包括下列步驟；

2、步驟一、對前緣掉塊葉片幾何特征進(jìn)行參數(shù)化描述；

3、具體如下：

4、step1:壓氣機(jī)級環(huán)境下葉型生成；

5、建立空間直角坐標(biāo)系，z軸為壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸，以z軸為中心生成回轉(zhuǎn)面s2；回轉(zhuǎn)面s2與壓氣機(jī)葉片相交形成的截面曲線即為壓氣機(jī)葉型，通過改變?nèi)~片進(jìn)口半徑r1和葉片出口半徑r2的數(shù)值，能夠獲得不同葉高位置的壓氣機(jī)葉型；

6、step2:掉塊葉型幾何特征的參數(shù)化；

7、對于硬物打傷導(dǎo)致的葉尖前緣掉塊，首先確定掉塊沿葉高方向的尺度δr，在δr范圍內(nèi)提取不同葉高處的壓氣機(jī)葉型，對于每個壓氣機(jī)葉型，都存在一個前緣掉塊區(qū)域，利用葉片吸力面和壓力面型面沿葉片軸向的起始點(diǎn)坐標(biāo)xs和xp和掉塊截面與所在中弧線的夾角，在坐標(biāo)系里來參數(shù)化表征葉型前緣掉塊區(qū)域，軸向即x軸；對于正常的壓氣機(jī)葉型，葉片吸力面和壓力面型面沿x軸的起始點(diǎn)均在前緣點(diǎn)，對應(yīng)的起始點(diǎn)坐標(biāo)均為x0，x0代表該葉型前緣點(diǎn)在坐標(biāo)系里的位置，葉片吸力面和壓力面型面沿x軸的結(jié)束點(diǎn)均在尾緣點(diǎn)，對應(yīng)的結(jié)束點(diǎn)坐標(biāo)均為xe，從x0到xe沿x軸的距離記為總軸向弦長ca；出現(xiàn)前緣掉塊時，吸力面型面沿x軸的起始點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)閤s，壓力面型面沿x軸的起始點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)閤p，x0到xs沿x軸方向的距離除以ca記為吸力面損傷部位軸向尺度占葉片總軸向弦長的比例sx，x0到xp沿x軸方向的距離除以ca記為壓力面損傷部位軸向尺度占葉片總軸向弦長的比例px，前緣掉塊區(qū)域的幾何特征用參數(shù)sx和px來表征；

8、步驟二、生成前緣掉塊葉片的幾何數(shù)據(jù)；

9、對于步驟一中的參數(shù)xs和xp，根據(jù)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)服役過程中壓氣機(jī)葉片硬物打傷案例數(shù)據(jù)預(yù)估最大值xsm和xpm；前緣掉塊發(fā)生時，葉片幾何變化不可預(yù)見、具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，因此，在(0，xsm)與(0，xpm)兩個區(qū)間內(nèi)分別抽取n個數(shù)值，即xsi和xpi，i＝1～n；將xsi和xpi組合能夠獲得n組前緣掉塊幾何特征；對于任意一組xsi和xpi，首先利用壓氣機(jī)葉型幾何型面氣動設(shè)計方法，生成原始的壓氣機(jī)葉型；之后，過xsi和xpi所對應(yīng)的壓力面和吸力面上的兩點(diǎn)作一條直線，用該直線將原始葉型截斷，截斷后葉型的后半部分與該直線共同組成前緣掉塊葉型，一共可在原始葉型的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生n個前緣掉塊葉型，其中葉型后半部分指x大于xsi和xpi的部分，前半部分是掉塊；對于掉塊葉片，在發(fā)生前緣掉塊的δr范圍內(nèi)作不同葉高處的回轉(zhuǎn)面s1與該掉塊葉片相交，獲得不同的葉型幾何，假設(shè)一共提取了m個壓氣機(jī)葉型，每個葉型都能夠利用上述方法產(chǎn)生n個前緣掉塊葉型；

10、步驟三、建立前緣掉塊葉片幾何特征與壓氣機(jī)葉型氣動特性變化之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律及安全邊界；

11、具體如下：

12、step1:建立前緣掉塊葉片幾何特征與壓氣機(jī)葉型氣動特性變化之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律；

13、對于步驟二中m個壓氣機(jī)葉型中的第k個壓氣機(jī)葉型，利用計算流體力學(xué)或?qū)嶒灉y試，獲得原始葉型和n個前緣掉塊葉型的氣動參數(shù)，獲得前緣掉塊影響下壓氣機(jī)葉型總壓損失的變化；對于給定的第k個壓氣機(jī)葉型，通過步驟二生成n個前緣掉塊的壓氣機(jī)葉型，對原始葉型和前緣掉塊葉型分別計算同一來流馬赫數(shù)、進(jìn)氣攻角時葉型的總壓損失；對于第k個壓氣機(jī)葉型的原始葉型，其相應(yīng)的總壓損失為ωk；對于第k個壓氣機(jī)葉型的第i個前緣掉塊葉型，其相應(yīng)的總壓損失為ωki(k＝1～m，i＝1～n)；通過計算n個前緣掉塊葉型的ωki，能夠得到前緣掉塊葉片幾何特征與壓氣機(jī)葉型氣動特性變化的關(guān)聯(lián)云圖；

14、step2:定義安全邊界；

15、利用上述關(guān)聯(lián)云圖，從總壓損失增加的角度來確定前緣掉塊葉片可用性的安全邊界，參考壓氣機(jī)葉片入射角范圍的定義，當(dāng)ωki大于ωk的n倍時，定義該葉片已氣動失效，在關(guān)聯(lián)云圖中找到對應(yīng)的等值線，該等值線內(nèi)部的幾何特征參數(shù)對應(yīng)的前緣掉塊葉型即為氣動失效葉型；

16、步驟四、構(gòu)建概率函數(shù)分布模型并計算失效概率；

17、具體如下：

18、step1:構(gòu)建概率函數(shù)分布模型；

19、建立吸力面和壓力面掉塊尺寸的概率分布函數(shù)；sx和px的分布應(yīng)滿足如下要求：(1)對于同一壓氣機(jī)葉片，sx和px應(yīng)具有一定的相關(guān)性，而不是相互獨(dú)立的；(2)sx和px的數(shù)值僅能取正值，且在(0，1)范圍內(nèi)變化；(3)盡管理論上，sx和px的數(shù)值可以取到1，也就是硬物打傷導(dǎo)致整個葉片斷裂，但是這種概率應(yīng)該是極小的；根據(jù)上述三條準(zhǔn)則，選取加權(quán)二元指數(shù)分布來描述sx和px滿足的概率分布：

20、

21、其中，λ1、λ2和λ3均為可調(diào)節(jié)常數(shù)，主要用于概率分布函數(shù)特征的修正，而λ＝λ1+λ2+λ3，其中λ是取值取決于λ1、λ2和λ3的常數(shù)；對于該聯(lián)合概率密度函數(shù)，推導(dǎo)獲得sx和px各自的期望、方差以及二者的相關(guān)系數(shù)：

22、

23、式中，e(sx)、e(px)分別為sx和px的數(shù)學(xué)期望，v(sx)、v(sx)分別為sx和px的方差；

24、sx和px的分布特征由三個可調(diào)節(jié)參數(shù)決定；二者的相關(guān)系數(shù)隨著參數(shù)λ3的減小而單調(diào)下降；

25、當(dāng)sx＝px＝x0時，概率密度函數(shù)取得極值，此時：

26、

27、式中，x0為概率密度函數(shù)取得極值時sx和px的取值；

28、step2:計算失效概率；

29、使用擬合函數(shù)對安全邊界進(jìn)行擬合到擬合安全邊界后，用射線交叉點(diǎn)法判斷樣本點(diǎn)是否處于安全邊界內(nèi)部，當(dāng)該點(diǎn)位于安全邊界內(nèi)部，定義其為失效點(diǎn)，統(tǒng)計得到失效樣本點(diǎn)數(shù)目m；給定總樣本數(shù)n，計算得到失效概率p＝(m/n)×100％；假設(shè)失效概率為q％，當(dāng)有((1/q)×100)個前緣掉塊葉片出現(xiàn)時，很可能有一個前緣掉塊葉片已經(jīng)氣動失效。

30、在本發(fā)明的一個具體實施例中，步驟二中，xsm和xpm與葉片軸向弦長的比值不超過12％，即sx和px不超過0.12。

31、在本發(fā)明的一個實施例中，步驟二中，壓氣機(jī)葉型幾何型面氣動設(shè)計方法采用中弧線造型方法。

32、在本發(fā)明的另一個實施例中，步驟二中，n不小于30，m不小于3。

33、在本發(fā)明的另一個具體實施例中，步驟四step2中，使用橢圓函數(shù)對安全邊界進(jìn)行擬合

34、本發(fā)明具體涉及前緣掉塊葉片幾何特征的參數(shù)化表征方法以及前緣掉塊葉片氣動失效的概率分析方法，通過將壓氣機(jī)氣動特性與前緣掉塊葉片的幾何參數(shù)特征相關(guān)聯(lián)，獲得前緣掉塊幾何特征與壓氣機(jī)氣動特性變化的關(guān)聯(lián)規(guī)律，構(gòu)建概率函數(shù)分布模型并設(shè)立安全邊界，實現(xiàn)快速評定前緣掉塊葉片是否發(fā)生氣動失效，在戰(zhàn)時搶修的毀傷后評估環(huán)節(jié)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。