紀福森，丁 拳，李惠蓮

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

寬弦葉片具有增加發(fā)動機壓氣機喘振裕度、抗外物損傷、提高發(fā)動機推力、減少葉片數(shù)等優(yōu)點。但是寬弦風扇葉片離心負荷增加，在滿足可靠性要求的情況下，輪盤質(zhì)量大幅增加，為此，RR、PW等航空發(fā)動機公司，大力發(fā)展空心結(jié)構(gòu)寬弦風扇葉片設(shè)計技術(shù)，并成功應(yīng)用于RB211-535E4、遄達800、PW4084等發(fā)動機上。針對該技術(shù)，國內(nèi)研究機構(gòu)對3層板結(jié)構(gòu)空心葉片進行了大量研究，郝勇等以某空心葉片為對象開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計，強度、振動特性分析，制造工藝以及疲勞試驗等研究[1]。剛鐵研究了加強筋數(shù)量、夾角、形狀，葉片蒙皮與加強筋厚度比等結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，并進行了強度、振動特性及顫振分析[2]。于洋研究了加強筋數(shù)量、加強筋與蒙皮厚度比、擴散連接區(qū)域與非擴散連接區(qū)域長度比、空心率對空心葉片強度的影響[3]。楊劍秋等定義和描述了空心風扇葉片幾何特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，并基于正交試驗設(shè)計方法進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析[4]。王營等研究了寬弦空心風扇葉片流固耦合作用下的葉片響應(yīng)、疲勞[5-6]。李冰等通過3維有限元模型研究了分析扭轉(zhuǎn)速率、熱成形模具下落速度、超塑成形目標應(yīng)變速率、板材與模具之間的摩擦系數(shù)、芯板和面板的厚度比等參數(shù)對成形力的影響規(guī)律[7]。

本文將進一步分析3層板空心葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計，并研究2層板空心葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)分析

根據(jù)使用要求，空心葉片可以設(shè)計成不同的空腔結(jié)構(gòu)，但是空腔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，制造成型越困難，工藝穩(wěn)定性越差，可靠性越難保證。國外在工程應(yīng)用的3種典型空心葉片如圖1所示，在給定的氣動外型下，空心葉片設(shè)計的關(guān)鍵是空腔設(shè)計與加強筋設(shè)計?？涨辉O(shè)計需考慮葉根實心區(qū)高度、葉尖實心區(qū)高度、空腔區(qū)葉盆葉背厚度。對于帶珩架芯（3層板結(jié)構(gòu)）、無芯（2層板結(jié)構(gòu)）空心葉片，因空心拓撲結(jié)構(gòu)不同，對于加強筋設(shè)計略有差異，3層板結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮加強筋數(shù)量、分布形式、擴散連接長度、加強芯板厚度，2層板結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮加強筋數(shù)量、分布形式、形狀、擴散連接長度。其中，加強筋的分布形式既要考慮沿弦向分布，又要考慮沿徑向分布，設(shè)計難度較大。

圖1 國外工程應(yīng)用的3種典型空心葉片結(jié)構(gòu)

2 某風扇葉片空心結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于氣動數(shù)據(jù)源進行空心葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計，即空腔的設(shè)計（葉盆、葉背厚度確定）和加強筋的分布均根據(jù)氣動葉型數(shù)據(jù)確定。

2.1 空腔設(shè)計

空心葉片葉盆、葉背沿葉高一般采用變厚度設(shè)計。首先，通過預(yù)計減質(zhì)效果，初步確定空腔區(qū)根、尖部葉盆、葉背厚度以獲得空腔區(qū)根尖部型面數(shù)據(jù)，如圖2（a）所示；然后，再通過線性差值獲得不同高度的空腔區(qū)截面數(shù)據(jù)，為保證空腔區(qū)沿徑向分布光順，如圖2（b）所示，適當調(diào)整個別截面數(shù)據(jù)。對與葉尖、葉根實心區(qū)高度，一般保證空腔區(qū)高度占整個葉高的2/3，另空實心交界遠離葉片一彎振動節(jié)線[1-4]，由此可知，空腔設(shè)計的核心是空腔區(qū)各截面葉盆和葉背厚度設(shè)計。值得說明的一點是，2/3層板空心葉片成型工藝不同，空腔截面前、后端處理方法也不同，3層板前后端保持尖邊即可，而2層板前后端需處理為圓弧轉(zhuǎn)接。

圖2 空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 2/3層板空心葉片加強筋設(shè)計

為了保證對2/3層板空心葉片的對比分析，本文設(shè)計的2種結(jié)構(gòu)空心葉片，其空腔結(jié)構(gòu)完全相同，在加強筋設(shè)計時保證2種空心葉片質(zhì)量相當，空腔設(shè)計參數(shù)參見表1，某葉高截面空腔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 2/3層板結(jié)構(gòu)空心葉片加強筋設(shè)計參數(shù)對比

圖3 2/3層板結(jié)構(gòu)加強筋分布

3 有限元分析與對比

空心葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般3維結(jié)構(gòu)設(shè)計困難，有限元前處理浪費時間，導(dǎo)致整個產(chǎn)品設(shè)計周期較長，對結(jié)構(gòu)方案的改進與優(yōu)化不利，本文采用UG軟件及其有限元仿真模塊（NX Nastran）可實現(xiàn)空心葉片結(jié)構(gòu)和強度的一體化設(shè)計。

2種結(jié)構(gòu)空心葉片分別進行了離心載荷和模擬彎矩載荷作用下的靜強度分析和模態(tài)分析。

提取積疊軸附近位置離心載荷作用下葉盆、葉背靜強度計算結(jié)果如圖4所示。從圖中可見，2/3層板結(jié)構(gòu)空心葉片葉盆、葉背等效應(yīng)力沿葉身徑向分布規(guī)律相同，與實心結(jié)構(gòu)葉片、完全空腔結(jié)構(gòu)空心葉片略有差異；從量值上看，2層板結(jié)構(gòu)空心葉片略低于3層板結(jié)構(gòu)空心葉片。由離心載荷作用下的靜強度分析結(jié)果看，2種結(jié)構(gòu)空心葉片均滿足設(shè)計要求。

在葉盆側(cè)施加0.05 MPa的壓力載荷，用于模擬葉片氣動彎矩載荷。實心葉片、2/3層板結(jié)構(gòu)空心葉片和完全空腔結(jié)構(gòu)空心葉片的最大變形如圖5所示。由計算結(jié)果可知，實心結(jié)構(gòu)抗氣動彎矩載荷能力優(yōu)于空心結(jié)構(gòu)葉片，3層板結(jié)構(gòu)空心葉片抗氣動彎矩載荷能力強于2層板結(jié)構(gòu)空心葉片。

模態(tài)分析表明，2/3層板空心葉片前10階振動頻率相當，接近實心結(jié)構(gòu)葉片，而完全空腔結(jié)構(gòu)葉片各階振動頻率數(shù)值偏??；2/3層板空心葉片前10階振型相同、幅值略有差異，如圖6所示。進一步振型對比，發(fā)現(xiàn)2/3層板結(jié)構(gòu)空心葉片振型除第6、7階振型外與實心結(jié)構(gòu)葉片相同，完全空腔結(jié)構(gòu)空心葉片第6～10階振型與實心結(jié)構(gòu)葉片、2/3層板結(jié)構(gòu)空心葉片均不同。

圖6 振動頻率、最大幅值對比

4 結(jié)論

（1）依據(jù)氣動數(shù)據(jù)進行了2/3層板空心葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對空心葉片結(jié)構(gòu)特點分析，進一步簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，應(yīng)用UG軟件實現(xiàn)了空心葉片的快速結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析。

（2）有限元計算結(jié)果表明，在減質(zhì)效果相當?shù)那闆r下，2層板結(jié)構(gòu)葉片在離心載荷作用下葉身等效應(yīng)力略低于3層板結(jié)構(gòu)空心葉片，但是模擬氣動彎矩載荷作用時，3層板結(jié)構(gòu)空心葉片抗彎能力較2層板結(jié)構(gòu)空心葉片略強；模態(tài)分析表明，2/3層板結(jié)構(gòu)空心葉片前10階振動特性相似，更接近與實心葉片，在第6階以上振型時，3層板結(jié)構(gòu)空心葉片振幅略低于2層板結(jié)構(gòu)空心葉片。

（3）由離心載荷、模擬彎矩載荷和模態(tài)分析結(jié)果看，2種結(jié)構(gòu)空心葉片均能滿足設(shè)計要求，但是承載能力略有不同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是彈性變形角調(diào)整時，應(yīng)考慮這種差異。

（4）由于2層板結(jié)構(gòu)空心葉片可設(shè)計性更好，可以通過改變加強筋的分布或增加弦向加強筋以提高承載能力改進設(shè)計。

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