2/3層板結(jié)構(gòu)空心風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)與對(duì)比分析

紀(jì)福森，丁 拳，李惠蓮

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

0 引言

寬弦葉片具有增加發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)喘振裕度、抗外物損傷、提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力、減少葉片數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。但是寬弦風(fēng)扇葉片離心負(fù)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(dòng)機(jī)公司，大力發(fā)展空心結(jié)構(gòu)寬弦風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，并成功應(yīng)用于RB211-535E4、遄達(dá)800、PW4084等發(fā)動(dòng)機(jī)上。針對(duì)該技術(shù)，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)3層板結(jié)構(gòu)空心葉片進(jìn)行了大量研究，郝勇等以某空心葉片為對(duì)象開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度、振動(dòng)特性分析，制造工藝以及疲勞試驗(yàn)等研究[1]。剛鐵研究了加強(qiáng)筋數(shù)量、夾角、形狀，葉片蒙皮與加強(qiáng)筋厚度比等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行了強(qiáng)度、振動(dòng)特性及顫振分析[2]。于洋研究了加強(qiáng)筋數(shù)量、加強(qiáng)筋與蒙皮厚度比、擴(kuò)散連接區(qū)域與非擴(kuò)散連接區(qū)域長度比、空心率對(duì)空心葉片強(qiáng)度的影響[3]。楊劍秋等定義和描述了空心風(fēng)扇葉片幾何特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[4]。王營等研究了寬弦空心風(fēng)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(biāo)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(duì)成形力的影響規(guī)律[7]。

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

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

根據(jù)使用要求，空心葉片可以設(shè)計(jì)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(dòng)外型下，空心葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是空腔設(shè)計(jì)與加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。空腔設(shè)計(jì)需考慮葉根實(shí)心區(qū)高度、葉尖實(shí)心區(qū)高度、空腔區(qū)葉盆葉背厚度。對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，對(duì)于加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)略有差異，3層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮加強(qiáng)筋數(shù)量、分布形式、擴(kuò)散連接長度、加強(qiáng)芯板厚度，2層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮加強(qiáng)筋數(shù)量、分布形式、形狀、擴(kuò)散連接長度。其中，加強(qiáng)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(jì)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(fēng)扇葉片空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

2.1 空腔設(shè)計(jì)

空心葉片葉盆、葉背沿葉高一般采用變厚度設(shè)計(jì)。首先，通過預(yù)計(jì)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(dāng)調(diào)整個(gè)別截面數(shù)據(jù)。對(duì)與葉尖、葉根實(shí)心區(qū)高度，一般保證空腔區(qū)高度占整個(gè)葉高的2/3，另空實(shí)心交界遠(yuǎn)離葉片一彎振動(dòng)節(jié)線[1-4]，由此可知，空腔設(shè)計(jì)的核心是空腔區(qū)各截面葉盆和葉背厚度設(shè)計(jì)。值得說明的一點(diǎn)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(jì)

2.2 2/3層板空心葉片加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

為了保證對(duì)2/3層板空心葉片的對(duì)比分析，本文設(shè)計(jì)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(qiáng)筋設(shè)計(jì)時(shí)保證2種空心葉片質(zhì)量相當(dāng)，空腔設(shè)計(jì)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(qiáng)筋設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

圖3 2/3層板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋分布

3 有限元分析與對(duì)比

空心葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般3維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，有限元前處理浪費(fèi)時(shí)間，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期較長，對(duì)結(jié)構(gòu)方案的改進(jìn)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(shí)現(xiàn)空心葉片結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的一體化設(shè)計(jì)。

2種結(jié)構(gòu)空心葉片分別進(jìn)行了離心載荷和模擬彎矩載荷作用下的靜強(qiáng)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(qiáng)度計(jì)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(shí)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(qiáng)度分析結(jié)果看，2種結(jié)構(gòu)空心葉片均滿足設(shè)計(jì)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(dòng)彎矩載荷。實(shí)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(jì)算結(jié)果可知，實(shí)心結(jié)構(gòu)抗氣動(dòng)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(dòng)彎矩載荷能力強(qiáng)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(dòng)頻率相當(dāng)，接近實(shí)心結(jié)構(gòu)葉片，而完全空腔結(jié)構(gòu)葉片各階振動(dòng)頻率數(shù)值偏小；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(jìn)一步振型對(duì)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(shí)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(shí)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(dòng)頻率、最大幅值對(duì)比

4 結(jié)論

（1）依據(jù)氣動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了2/3層板空心葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對(duì)空心葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用UG軟件實(shí)現(xiàn)了空心葉片的快速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析。

（2）有限元計(jì)算結(jié)果表明，在減質(zhì)效果相當(dāng)?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(dòng)彎矩載荷作用時(shí)，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(qiáng)；模態(tài)分析表明，2/3層板結(jié)構(gòu)空心葉片前10階振動(dòng)特性相似，更接近與實(shí)心葉片，在第6階以上振型時(shí)，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(jì)要求，但是承載能力略有不同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是彈性變形角調(diào)整時(shí)，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(jì)性更好，可以通過改變加強(qiáng)筋的分布或增加弦向加強(qiáng)筋以提高承載能力改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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