某型開式轉子發動機槳扇葉片抗鳥撞數值模擬分析

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

開式轉子發動機，早起曾被稱為槳扇發動機（Propfan Engine） 或無涵道風扇發動機（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動機，它既可以被看作是帶有先進高速螺旋槳的渦槳發動機，也可被看作是除去外涵道之后的渦扇發動機。開式轉子發動機具有多個寬弦、薄葉型的后掠槳葉，雙排對轉，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，通常開式轉子發動機的有效涵道比為25～60[1]。經實驗驗證，開式轉子發動機相較于常規的渦扇發動機節約20%～30%[2]，可以說它是一種集渦扇發動機的高速飛行以及渦槳發動機的低油耗于一身的新型發動機，深受各國發動機龍頭公司的青睞。

然而隨著現代航空技術的迅速發展，飛機的數量以及航班次數顯著增加，同時鳥撞事故的數量也在急速增多。一般情況下，鳥撞事故會發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量[3]。據統計，最容易受到鳥類撞擊的部位是風扇的發動機葉片以及風擋[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分析、對不同應變率下的葉片運用數值模擬方法進行瞬態響應分析以及鳥撞后的損傷分析[5]，伍國卿等人運用MAC 產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值計算模型，并對該模型進行了驗證[7]。

本文研究的開式轉子發動機是雙排對轉結構，相較于單排旋轉結構的發動機，它的效率可以提高6%～10%，可以節約燃料，其次它可以在相同葉片直徑的前提下產生兩倍的推力，同時，雙排對轉結構的發動機可以在接觸地面時改變自身的槳距，產生強勁的反推力[8]。但是，由于雙排對轉結構的發動機的葉片都在發動機外，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子發動機槳葉數值計算模型，研究了發動機正常工作狀態下飛鳥撞擊葉片不同位置時，對葉片造成損傷的情況，為開式轉子發動機抗鳥撞設計提供了參考。

1 數值計算模型

1.1 開式轉子葉片模型

某型開式轉子發動機槳葉外形如下頁圖1 所示，開式轉子發動機的風扇組成不同于其他渦扇葉片，它是由葉片和轉子連接環（如下頁圖2 所示）組合而成的[9]。利用SOLIDEWORKS 軟件繪制開式轉子發動機的葉片和轉子連接環并組合在一起，如下頁圖3 所示，每個轉子連接環上連接8 片槳葉，可知每兩片葉片之間的夾角為45°。設定該開式轉子發動機槳葉材料為鈦合金，楊氏模量定為120 GPa，設定密度4 450 kg/m3，泊松比定為0.3，屈服應力定為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，葉片與轉子連接環之間由一圓柱體相連，因此葉片會與連接環剛體隨動[10]。槳葉材料的動態應變率的本構模型是一個雙線性應力應變模型，可以由硬化方程（1）來表述。其中：是動態應力，δ0（ε）是靜態屈服應力是應變率，D 和p 是材料的動態硬化應變率的模型參數。

圖1 某型開式轉子發動機轉子葉片外形

圖2 某型開式轉子發動機轉子連接環外形

圖3 某型開式轉子發動機風扇全尺寸模型

圖4 葉片有限元網格模型

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，球體的內半徑為58.1 mm，圓柱長度為232.4 mm，鳥體質量約為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、屈服應力定為1.1 MPa、切線模量定為5 MPa，失效應變為1.25。使用ABAQUS 軟件生成的SPH 粒子總數為 3 988 個。

圖5 鳥體模型

1.3 分析工況

假設鳥與飛機的相對速度為130 m/s，方向定為與葉片轉動平面相垂直，分別撞擊開式轉子發動機葉片的葉根、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量和速度，極有可能影響到開式轉子發動機的下一級槳葉，對下一級槳葉造成損傷，同時由于葉根單元的等效應力突增，有可能會造成葉片發生斷裂；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，相對來說危害最小；在工況三時，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 結論

研究結果表明：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力突增使槳葉發生斷裂，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。實際中應盡量避免葉片與高動能的鳥體發生碰撞，本研究可為后續開式轉子發動機的葉片設計提供理論指導。