朱銀方 勞賢豪 黎 琨

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

0.引言

葉尖開槽最早是應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片中，大量研究表明[1-2]，渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉尖開槽可以明顯改善渦輪級的效率和冷卻效果。葉尖開槽又叫葉尖片削，是指在葉片靠近徑向間隙處的葉尖處的吸力面或壓力面或葉片兩側(cè)同時(shí)沿著弦向開淺槽。在壓氣機(jī)中，葉尖處壓力面?zhèn)攘黧w會通過葉頂間隙泄漏到吸力面?zhèn)?，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏流與主流發(fā)生摻混，帶來泄漏損失。葉尖片削技術(shù)的主要特點(diǎn)是有效調(diào)控葉尖泄漏流動(dòng)及其與端壁二次流的相互作用，進(jìn)而影響壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。邵衛(wèi)衛(wèi)[3]研究了葉尖片削對軸流壓氣機(jī)性能的影響，并提出了葉尖片削對葉片振動(dòng)和葉片應(yīng)力分布的可能影響。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片尤其是進(jìn)口轉(zhuǎn)子葉片，工作條件惡劣，以及高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和氣流尾跡很容易使葉片發(fā)生振動(dòng)。由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)常受到外物沖擊或沙塵沖刷，使得其頻率會發(fā)生改變，因此，葉片振動(dòng)必須具備一定的裕度。發(fā)動(dòng)機(jī)由振動(dòng)引起的故障占總故障的60%以上，其中葉片振動(dòng)故障占總故障的70%以上[4]。葉片振動(dòng)尤其是共振將產(chǎn)生較大的振動(dòng)應(yīng)力，易導(dǎo)致葉片疲勞失效[5]，即高周疲勞失效。葉片產(chǎn)生共振的主要原因是由于葉片固有頻率與某階激振頻率相同或者接近，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量避免這種情況[6]。

作為世界上最為著名的大涵道比民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)之一，CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)和LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)在其高壓壓氣機(jī)前級轉(zhuǎn)子葉片葉尖均采用了葉尖片削結(jié)構(gòu)，如圖1 和圖2 所示。

圖1 CFM56壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖片削示意圖

圖2 LEAP-1B壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖片削示意圖

1.葉尖片削控制參數(shù)

根據(jù)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作原理，葉尖片削由吸力面葉型輪廓線向壓力面或者壓力面向吸力面偏置一定距離形成。葉尖片削控制參數(shù)主要由剩余葉尖厚度b1、片削深度h以及片削結(jié)構(gòu)倒圓角r組成，如圖3 所示，其中b1 一般不小于0.8mm，r大小主要由加工刀具決定，一般為2mm，不宜太小否則會導(dǎo)致應(yīng)力集中。本文將要分析的葉尖片削結(jié)構(gòu)如表1 所示，其位于葉片的壓力面。

圖3 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖片削控制參數(shù)

表1 轉(zhuǎn)子葉尖片削結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

2.強(qiáng)度振動(dòng)計(jì)算模型

本文選取某型壓氣機(jī)第1 級轉(zhuǎn)子為計(jì)算模型。第1 級葉片盤材料為常用鈦合金，材料性能數(shù)據(jù)如表2 所示。采用商業(yè)有限元計(jì)算軟件Workbench 對表1 中的5 種葉尖片削結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)、強(qiáng)度計(jì)算。葉片盤在結(jié)構(gòu)上具有循環(huán)對稱的特點(diǎn)，計(jì)算模型選取包含1 個(gè)完整葉片的循環(huán)對稱段進(jìn)行計(jì)算。采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元對循環(huán)對稱段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，約束條件模擬了零件在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的裝配關(guān)系，循環(huán)對稱面施加循環(huán)對稱約束。

表2 鈦合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3.強(qiáng)度振動(dòng)計(jì)算

3.1 振動(dòng)計(jì)算

對第1 級葉片盤葉片進(jìn)行了振動(dòng)特性計(jì)算，結(jié)果如表3 所示，本文計(jì)算主要考慮了葉片氣動(dòng)載荷、離心載荷和溫度載荷。第1 ～6 次葉片頻率隨著葉尖片削深度變化規(guī)律如圖4 所示，結(jié)構(gòu)1、2 的共振頻率裕度如表4 和表5所示，可以看出：

表3 葉片前6階固有頻率

圖4 葉片頻率隨參數(shù)b的變化規(guī)律

表4 結(jié)構(gòu)1的共振頻率裕度（%）

表5 結(jié)構(gòu)2的共振頻率裕度（%）

（1）隨著葉尖片削深度的增加，葉片各階次頻率均不斷提高；

（2）葉片前6 階次頻率與葉尖片削深度基本呈線性關(guān)系變化；

（3）與結(jié)構(gòu)1 相比，結(jié)構(gòu)2 的共振頻率裕度較低的階次裕度均有所提升，比如K=2 的1 階裕度由9.8%提升至12.4%，K=5 的1 階頻率裕度由12.3%提升至14.1%，有利于提升葉片高周疲勞壽命。

3.2 強(qiáng)度計(jì)算

對葉根最大當(dāng)量應(yīng)力、盤心最大當(dāng)量應(yīng)力、葉尖最大綜合變形和葉尖最大徑向變形應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，如表6所示，變化曲線如圖5 和圖6 所示，從圖中可以看出：

表6 葉片應(yīng)力及位移

圖5 最大當(dāng)量應(yīng)力變化曲線

圖6 葉尖最大變形變化曲線

（1）葉根最大當(dāng)量應(yīng)力隨著葉尖片削深度的增加先增加后降低；

（2）葉尖變形隨著葉尖片削深度的增加均呈現(xiàn)下降趨勢。

4.壓氣機(jī)性能數(shù)值仿真

利用某型壓氣機(jī)為平臺，進(jìn)行了葉尖片削（開槽）狀態(tài)與沒有葉尖片削（基準(zhǔn)）狀態(tài)性能仿真對比分析，如圖7 和圖8 所示。從數(shù)值仿真計(jì)算分析結(jié)果可以看出，葉尖片削（開槽）對整個(gè)壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能影響不大，但80%換算轉(zhuǎn)速的喘振裕度略有提升外，其他轉(zhuǎn)速的效率、流量及喘振裕度幾乎無影響。

圖7 某型壓氣機(jī)流量壓比特性

圖8 某型壓氣機(jī)流量效率特性

5.結(jié)論

本文以某型壓氣機(jī)為例，從振動(dòng)、強(qiáng)度以及壓氣機(jī)性能等方面，分析了葉尖片削參數(shù)影響變化規(guī)律，可以看出：

（1）轉(zhuǎn)子葉尖片削對葉根最大當(dāng)量應(yīng)力、盤心最大當(dāng)量應(yīng)力以及葉尖變形影響較??；

（2）轉(zhuǎn)子葉尖片削對葉片振動(dòng)特性有較大的影響。對于一定厚度的多級軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片來說，葉尖片削可以作為一種的調(diào)頻手段；

（3）一定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子葉尖片削對壓氣機(jī)性能幾乎沒有影響。