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申请/专利权人：中国人民解放军空军工程大学

摘要：公开一种前缘掉块叶片气动失效概率分析方法，包括下列步骤：步骤一、对前缘掉块叶片几何特征进行参数化描述；步骤二、生成前缘掉块叶片的几何数据；步骤三、建立前缘掉块叶片几何特征与压气机叶型气动特性变化之间的关联规律及安全边界；步骤四、构建概率函数分布模型并计算失效概率。本发明通过将压气机气动特性与前缘掉块叶片的几何参数特征相关联，获得前缘掉块几何特征与压气机气动特性变化的关联规律，构建概率函数分布模型并设立安全边界，实现快速评定前缘掉块叶片是否发生气动失效，在战时抢修的毁伤后评估环节方面具有广泛的应用前景。

主权项：1.一种前缘掉块叶片气动失效概率分析方法，其特征在于，具体包括下列步骤；步骤一、对前缘掉块叶片几何特征进行参数化描述；具体如下：step1:压气机级环境下叶型生成；建立空间直角坐标系，z轴为压气机的旋转轴，以z轴为中心生成回转面S2；回转面S2与压气机叶片相交形成的截面曲线即为压气机叶型，通过改变叶片进口半径r1和叶片出口半径r2的数值，能够获得不同叶高位置的压气机叶型；step2:掉块叶型几何特征的参数化；对于硬物打伤导致的叶尖前缘掉块，首先确定掉块沿叶高方向的尺度Δr，在Δr范围内提取不同叶高处的压气机叶型，对于每个压气机叶型，都存在一个前缘掉块区域，利用叶片吸力面和压力面型面沿叶片轴向的起始点坐标xs和xp和掉块截面与所在中弧线的夹角，在坐标系里来参数化表征叶型前缘掉块区域，轴向即x轴；对于正常的压气机叶型，叶片吸力面和压力面型面沿x轴的起始点均在前缘点，对应的起始点坐标均为x0，x0代表该叶型前缘点在坐标系里的位置，叶片吸力面和压力面型面沿x轴的结束点均在尾缘点，对应的结束点坐标均为xe，从x0到xe沿x轴的距离记为总轴向弦长Ca；出现前缘掉块时，吸力面型面沿x轴的起始点坐标变为xs，压力面型面沿x轴的起始点坐标变为xp，x0到xs沿x轴方向的距离除以Ca记为吸力面损伤部位轴向尺度占叶片总轴向弦长的比例Sx，x0到xp沿x轴方向的距离除以Ca记为压力面损伤部位轴向尺度占叶片总轴向弦长的比例Px，前缘掉块区域的几何特征用参数Sx和Px来表征；步骤二、生成前缘掉块叶片的几何数据；对于步骤一中的参数xs和xp，根据航空燃气涡轮发动机服役过程中压气机叶片硬物打伤案例数据预估最大值xsm和xpm；前缘掉块发生时，叶片几何变化不可预见、具有很强的随机性，因此，在0，xsm与0，xpm两个区间内分别抽取N个数值，即xsi和xpi，i＝1～N；将xsi和xpi组合能够获得N组前缘掉块几何特征；对于任意一组xsi和xpi，首先利用压气机叶型几何型面气动设计方法，生成原始的压气机叶型；之后，过xsi和xpi所对应的压力面和吸力面上的两点作一条直线，用该直线将原始叶型截断，截断后叶型的后半部分与该直线共同组成前缘掉块叶型，一共可在原始叶型的基础之上产生N个前缘掉块叶型，其中叶型后半部分指x大于xsi和xpi的部分，前半部分是掉块；对于掉块叶片，在发生前缘掉块的Δr范围内作不同叶高处的回转面S1与该掉块叶片相交，获得不同的叶型几何，假设一共提取了m个压气机叶型，每个叶型都能够利用上述方法产生N个前缘掉块叶型；步骤三、建立前缘掉块叶片几何特征与压气机叶型气动特性变化之间的关联规律及安全边界；具体如下：Step1:建立前缘掉块叶片几何特征与压气机叶型气动特性变化之间的关联规律；对于步骤二中m个压气机叶型中的第k个压气机叶型，利用计算流体力学或实验测试，获得原始叶型和N个前缘掉块叶型的气动参数，获得前缘掉块影响下压气机叶型总压损失的变化；对于给定的第k个压气机叶型，通过步骤二生成N个前缘掉块的压气机叶型，对原始叶型和前缘掉块叶型分别计算同一来流马赫数、进气攻角时叶型的总压损失；对于第k个压气机叶型的原始叶型，其相应的总压损失为ωk；对于第k个压气机叶型的第i个前缘掉块叶型，其相应的总压损失为ωkik＝1～m，i＝1～N；通过计算N个前缘掉块叶型的ωki，能够得到前缘掉块叶片几何特征与压气机叶型气动特性变化的关联云图；Step2:定义安全边界；利用上述关联云图，从总压损失增加的角度来确定前缘掉块叶片可用性的安全边界，参考压气机叶片入射角范围的定义，当ωki大于ωk的n倍时，定义该叶片已气动失效，在关联云图中找到对应的等值线，该等值线内部的几何特征参数对应的前缘掉块叶型即为气动失效叶型；步骤四、构建概率函数分布模型并计算失效概率；具体如下：Step1:构建概率函数分布模型；建立吸力面和压力面掉块尺寸的概率分布函数；Sx和Px的分布应满足如下要求：1对于同一压气机叶片，Sx和Px应具有一定的相关性，而不是相互独立的；2Sx和Px的数值仅能取正值，且在0，1范围内变化；3尽管理论上，Sx和Px的数值可以取到1，也就是硬物打伤导致整个叶片断裂，但是这种概率应该是极小的；根据上述三条准则，选取加权二元指数分布来描述Sx和Px满足的概率分布： 其中，λ1、λ2和λ3均为可调节常数，主要用于概率分布函数特征的修正，而λ＝λ1+λ2+λ3，其中λ是取值取决于λ1、λ2和λ3的常数；对于该联合概率密度函数，推导获得Sx和Px各自的期望、方差以及二者的相关系数： 式中，ESx、EPx分别为Sx和Px的数学期望，VSx、VSx分别为Sx和Px的方差；Sx和Px的分布特征由三个可调节参数决定；二者的相关系数随着参数λ3的减小而单调下降；当Sx＝Px＝x0时，概率密度函数取得极值，此时： 式中，x0为概率密度函数取得极值时Sx和Px的取值；Step2:计算失效概率；使用拟合函数对安全边界进行拟合到拟合安全边界后，用射线交叉点法判断样本点是否处于安全边界内部，当该点位于安全边界内部，定义其为失效点，统计得到失效样本点数目m；给定总样本数n，计算得到失效概率P＝m×100％；假设失效概率为q％，当有1q×100个前缘掉块叶片出现时，很可能有一个前缘掉块叶片已经气动失效。

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