[01495700]大型涡扇发动机旋转部件结冰、脱冰、冰撞机理及适航验证关键技术

1.所属科学技术领域：航空发动机对结冰效应的反应非常敏感，极容易造成危险。一旦发动机进气系统结冰，轻则发生气流畸变，影响发动机的工作稳定性，重则可能导致熄火停车，同时冰脱落引起的冰撞击还会造成危害性后果。针对发动机结冰的多发性和引起的安全性后果，各国适航当局都提出了明确的适航规章，要求充分验证发动机在结冰环境下的安全性。大型涡扇发动机旋转部件结冰、脱冰、冰撞机理及适航验证关键技术项目，属于航空航天科学技术领域，来源于航空基金、大客发动机验证机关键技术、上海市科委重大基础研究项目，自2012年开始历时5年完成，系统研究航空发动机旋转部件的结冰、脱冰、冰撞击过程，创造性开发旋转部件结冰和冰脱落试验系统，开展相应试验验证并形成方法和标准。 2.主要技术创新内容：该项目从旋转叶轮结冰仿真技术的困难性和试验数据的匮乏性着手，基于多步迭代有限元技术，考虑复杂的三维流场和叶片加热效应影响，建立了旋转叶轮结冰仿真分析方法，在国内首次实现了旋转叶轮的高精度结冰仿真；针对地面结冰云雾模拟系统的云雾参数需要重复调节和标定的问题，实现了水滴直径和液态水含量等云雾参数快速精准控制，大幅提高了试验效率；利用地面结冰云雾模拟系统，在国内首次开展了风扇部件外场结冰试验，克服叶片结构限制，突破了叶片冰形3D扫描技术，为建立旋转叶轮结冰仿真方法提供了第一手的校核数据。针对民用大涵道比涡扇发动机进气系统结冰和吸冰的适航验证需求，在结冰和冰撞击的分析基础上，提出了结冰和冰撞击关键点分析方法，主要创新如下： 1)叶轮机械高精度结冰仿真技术研究针对发动机旋转叶轮的流场具有复杂的三维效应、叶片本身对水滴也具有加热作用、叶片前缘曲率半径小、短时间的结冰对前缘流场和水滴撞击特性产生显著影响等技术难点，开发旋转部件结冰仿真模型和方法。仿真精度(15％)优于国外先进公司的精度(25％)。 2)旋转部件结冰、脱冰试验技术研究针对发动机内流中的旋转叶轮三维结冰冰型难以获得的技术难点，采用多角度3D扫描和高速摄像相结合的技术成功获取了结冰冰形、脱冰时刻。获取的旋转叶片三维冰形方面在国际上处于领先地位。 3)风扇冰撞击试验与仿真分析技术研究根据适航条款要求，分析了风扇叶片冰撞击的关键参数的种类和取值依据。在国内首次开展风扇叶片冰撞击试验，形成的关键点分析方法与国际先进水平相当。 3.知识产权及应用推广情况：通过该项目研究，共公开/授权专利4项，其中授权发明专利1项，发表核心学术论文8篇。 该项目形成的旋转件结冰和冰脱落适航符合性分析和试验方法，为风扇结构防冰设计和分析方法验证的第一手试验数据，并为国内首个民用大涵道比涡扇发动机进气系统结冰的适航验证提供基础性的数据支撑。成功应用于CJ-1000A发动机风扇后分流环结冰关键点试验，节省经费1120万元，应用旋转部件结冰试验技术新增试验产值1000万元。