劉杰，鄭寧，徐朋飛

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

0 引言

在葉輪機(jī)械中，風(fēng)扇、壓氣機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，減輕其重量對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比有著極其重要的工程意義。在20 世紀(jì)80 年代中期，為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量，在轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出了一種新的結(jié)構(gòu)形式：將工作葉片和輪盤做成一體省去了連接用的榫頭和榫槽并采用比重較輕的材料［1-2］。整體葉盤結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比具有無連接結(jié)構(gòu)、無榫槽熱阻、較小的榫槽損傷和斷裂潛在故障等優(yōu)勢(shì)［3］。整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，葉片形狀復(fù)雜［4］，其制造工藝和維修的復(fù)雜性是目前影響其廣泛應(yīng)用和推廣的兩大因素，但隨著加工工藝、材料和制造水平的不斷提高，整體葉盤結(jié)構(gòu)將來必然會(huì)用于推重比15～20 的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，成為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向之一［5－6］。

在工作過程中，葉輪機(jī)械的葉片承受氣動(dòng)力、非均勻溫度分布和離心力的作用，會(huì)產(chǎn)生一定的變形，而這種變形會(huì)隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化而發(fā)生改變，這會(huì)使得葉片內(nèi)的流動(dòng)和設(shè)計(jì)工況有一定差別，特別對(duì)跨聲速風(fēng)扇，葉片變形可能會(huì)影響葉尖間隙、氣流角等，從而偏離其最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)，進(jìn)而影響風(fēng)扇的性能和壽命［7］。國(guó)外對(duì)葉片彈性變形工作開展得較早，如Wilson 等［8］采用非線性模型研究了風(fēng)扇葉片的彈性變形對(duì)風(fēng)扇性能的影響，以及葉片安裝角變化對(duì)葉片在工作狀態(tài)下幾何形狀的影響。本文分析了整體葉盤結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片的結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征，并對(duì)整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片的彈性特點(diǎn)和影響進(jìn)行了分析，進(jìn)而為整體葉盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。

1 研究對(duì)象及方法

本文研究對(duì)象為某三級(jí)風(fēng)扇，該風(fēng)扇有2 種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，分別是第一級(jí)轉(zhuǎn)子盤榫結(jié)構(gòu)和第一級(jí)轉(zhuǎn)子整體葉盤結(jié)構(gòu)（冷態(tài)葉型坐標(biāo)相同）。

葉片彈性變形計(jì)算采用ANSYS 非線性分析方法，沿葉高選取5 個(gè)截面，在每個(gè)截面上分別計(jì)算出前緣和尾緣相對(duì)于積疊中心的偏移量，連接偏移后前、尾緣點(diǎn)的直線于偏移前兩點(diǎn)連線的夾角定義為彈性變形角。

2 結(jié)果分析

2.1 葉片彈性變形角特點(diǎn)及影響

1）葉片結(jié)構(gòu)形式不同，彈性變形角不同，風(fēng)扇流量發(fā)生變化，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明，相同工況下整體葉盤結(jié)構(gòu)彈性變形角小于盤榫結(jié)構(gòu)葉片。這是因?yàn)檎w葉盤結(jié)構(gòu)葉片采用無榫連接的一體結(jié)構(gòu)，其剛性要好于盤榫結(jié)構(gòu)。圖1 給出了采用ANSYS 計(jì)算得到的2種結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片彈性變形角計(jì)算結(jié)果。在工作狀態(tài)下，整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片的彈性變形角明顯小于盤榫結(jié)構(gòu)。在這種情況下，若在氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)將風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的彈性變形角按盤榫結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果選取，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子處于工作狀態(tài)時(shí)，整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片的安裝角就要大于盤榫結(jié)構(gòu)葉片，這時(shí)一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片處于偏關(guān)狀態(tài)，因此風(fēng)扇流量變小，而風(fēng)扇流量的大小直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大小，進(jìn)而影響推重比。

圖1 相同轉(zhuǎn)速下不同結(jié)構(gòu)葉片彈性變形角分布

例如：在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，若保持低壓轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速為1.0，則風(fēng)扇工作點(diǎn)的流量減小，導(dǎo)致壓比減小，效率提高，涵道比增加，風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)消耗的渦輪功減少，因此需要降低渦輪前溫度以滿足高壓、低壓渦輪功減少的需求。最終匹配計(jì)算結(jié)果表明與設(shè)計(jì)點(diǎn)相比，當(dāng)風(fēng)扇流量減小1%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中間狀態(tài)推力約減小3%，最大狀態(tài)推力約減小2%；若考慮進(jìn)/發(fā)匹配進(jìn)氣流量匹配的要求，保持發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量不變，此時(shí)低壓轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速升高，風(fēng)扇的壓比上升、效率降低，風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)消耗的渦輪功增加，因此需要增加渦輪前溫度以適應(yīng)高壓、低壓渦輪功增加的需求，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，最終匹配計(jì)算結(jié)果發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)推力減小約0.1%。

2）整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片彈性變形角相對(duì)變化量（相對(duì)盤榫結(jié)構(gòu)）沿葉高呈非線性變化，這種變化對(duì)風(fēng)扇葉片的徑向平衡和級(jí)間匹配造成影響。

圖1 表明，2 種葉片結(jié)構(gòu)的彈性變形角沿葉高均呈非線性變化，彈性變形角沿葉高的變化率由根到尖逐漸增大。同時(shí)，整體葉盤葉片彈性變形角相對(duì)變化量沿葉高的變化也呈非線性的特點(diǎn)。圖2 表明在10%葉高以下，葉片相對(duì)變化量最大達(dá)到54%；由10%至100%葉高范圍內(nèi)，葉片彈性變形角變化量由54%減小到約10%?？梢?，整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片相對(duì)于盤榫結(jié)構(gòu)葉片來說，在葉根附近變化較大。

綜合來看，葉片彈性變形角沿葉高的這種非線性分布規(guī)律與以下幾點(diǎn)有關(guān)：a.考慮葉片通道內(nèi)氣流沿葉高的流動(dòng)情況，在靠近葉片尖部位置，葉片受到正激波的作用，中、下部受到斜激波的作用，尖部激波較強(qiáng)而且在頂部受到葉片間隙流動(dòng)的影響，葉片沿葉高方向受的氣動(dòng)載荷是非線性的。b.葉片在子午向及周向的積疊使葉片有彎、掠的趨勢(shì)，葉片受到的離心力在周向的分量呈非線性。

2 種結(jié)構(gòu)下風(fēng)扇葉片的這種彈性變形特點(diǎn)，導(dǎo)致2 種葉片的進(jìn)口攻角沿葉高呈非線性差異關(guān)系，使得葉片效率沿葉高的分布產(chǎn)生不同，經(jīng)由徑向平衡后葉片的做功能力隨之發(fā)生改變，進(jìn)而影響風(fēng)扇各級(jí)間的匹配，若這種影響發(fā)生在風(fēng)扇的前面級(jí)并使葉片做功能力減弱，則前面級(jí)壓比將減小、壓縮能力降低，使得后面級(jí)葉片進(jìn)口軸向速度增加，流量系數(shù)增大，工作點(diǎn)向特性線的堵點(diǎn)方向移動(dòng)、壓比隨之降低，必然造成風(fēng)扇前、后級(jí)匹配不合理，影響風(fēng)扇的性能。

3）不同換算轉(zhuǎn)速下，整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片彈性變形特點(diǎn)使風(fēng)扇流量相對(duì)變化量（相對(duì)盤榫結(jié)構(gòu)）呈非線性變化（2 種結(jié)構(gòu)下風(fēng)扇葉片冷態(tài)葉型坐標(biāo)相同）。

圖2 彈性變形角沿葉高相對(duì)變化量

圖3 為采用2種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的三級(jí)風(fēng)扇在試驗(yàn)過程中測(cè)得的流量變化與相對(duì)換算轉(zhuǎn)速的關(guān)系。隨著相對(duì)換算轉(zhuǎn)速的提高，整體葉盤結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇流量減少量并不是呈線性變化，其值在=0.9 轉(zhuǎn)速附近時(shí)，達(dá)到最大，流量相對(duì)減小了1.19%，之后隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，流量變化值相應(yīng)減小，1.0 轉(zhuǎn)速時(shí)流量相對(duì)減小了0.8%；也就是說在相對(duì)轉(zhuǎn)速較低時(shí)整體葉盤結(jié)構(gòu)與盤榫結(jié)構(gòu)的彈性變形量相差較少，而在=0.9 左右彈性變形角相差最大，之后隨換算轉(zhuǎn)速的提高，彈性變形角變化量減小。

圖3 相對(duì)換算轉(zhuǎn)速與相對(duì)流量變化關(guān)系（m0為盤榫結(jié)構(gòu)風(fēng)扇流量，m1為整體葉盤結(jié)構(gòu)風(fēng)扇流量）

2.2 葉片輪盤徑向彈性變形量特點(diǎn)及影響

整體葉盤結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)盤榫結(jié)構(gòu)葉片相比，前者的輪盤徑向變形量要小些，因此風(fēng)扇在實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)熱態(tài)流路的徑向位置要小于設(shè)計(jì)值，這樣會(huì)產(chǎn)生以下2 點(diǎn)影響：a.轉(zhuǎn)子葉尖間隙增加，尖部泄漏渦增大且葉頂間隙渦會(huì)隨間隙的增加而沿葉片吸力面向下游移動(dòng)，泄漏渦強(qiáng)度和葉片損失隨間隙增加而增大；b.風(fēng)扇流通面積變大風(fēng)扇流量增加，風(fēng)扇在工作轉(zhuǎn)速下偏離工作點(diǎn)影響高、低壓部件間的匹配。因此若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減小對(duì)熱態(tài)流路的冷態(tài)預(yù)估量值。

3 結(jié)論

本文以某先進(jìn)三級(jí)風(fēng)扇為例，通過ANSYS 非線性計(jì)算及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，研究了整體葉盤結(jié)構(gòu)與盤榫結(jié)構(gòu)彈性變形的不同特點(diǎn)，研究了整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片彈性變形特點(diǎn)及對(duì)風(fēng)扇性能的影響，探討了今后整體葉盤結(jié)構(gòu)風(fēng)扇在氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題，并得到了以下主要結(jié)論：

1）整體葉盤結(jié)構(gòu)葉片彈性變形量小于盤榫結(jié)構(gòu)葉片；彈性變形角沿葉高呈非線性分布；整體葉盤彈性變形角減少量隨換算轉(zhuǎn)速增加呈非線性減少。

2）整體葉盤的彈性變形特征使得采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的風(fēng)扇性能發(fā)生變化：整體葉盤彈性變形角減小導(dǎo)致風(fēng)扇流量變小、效率下降；在不同換算轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇流量變化量的非線性變化使得風(fēng)扇在共同工作線上的工作點(diǎn)發(fā)生非線性偏移，發(fā)動(dòng)機(jī)部件間匹配點(diǎn)發(fā)生改變，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作；風(fēng)扇流量減小使得發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小、推重比增加，發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能下降。

3）整體葉盤結(jié)構(gòu)與盤榫結(jié)構(gòu)相比，輪盤徑向變形量小，轉(zhuǎn)子葉尖間隙增加泄漏損失增大；風(fēng)扇流通面積增加，流量增加，影響發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓部件間匹配。在進(jìn)行轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意冷、熱態(tài)流路轉(zhuǎn)換量值。

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