宽弦空心风扇转子叶片叶身结构设计参数分析

1 引言 高推重比涡扇发动机设计的 主要任务是综合考虑气动、质量、 振动、噪声、结构完整性和可靠性 以及制造成本等因素，择优选择 设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，以最小的质量达到推 力指标要求。宽弦空心风扇转子叶 片的结构设计就是满足了这些要 求的典型设计范例。 从国内外研究现状可以看出， 国外在宽弦空心风扇叶片方面的 研究起步早，并且在结构设计、制造 和相关分析方面的水平很高，在研、 在役及预研涡扇发动机均使用了 宽弦空心风扇叶片；国内则在总体 水平上落后于国外。 本文对宽弦空心风扇叶片叶 身的结构设计方法、强度分析方 法进行研究。 2 SPF/DB宽弦空心风扇转 子叶片结构与工艺特点 2.1 结构特点 宽弦空心风扇转子叶片取消 了凸肩，增加了弦的宽度。与实心 风扇转子叶片相比，叶栅通道面 积加大，喘振裕度、级效率提高。 SPF/DB宽弦空心风扇转子叶片 的叶身由 3或 4层钛合金板通过 SPF/DB连接在一起；芯部是桁架 式空心的结构，外侧是2块厚壁 蒙皮，蒙皮的厚度从根部沿叶高 递减。 空心结构处在叶片的上部，约 占叶片的 2/3，使风扇转子叶片的 质量降低（如图 1所示），离心力减 宽弦空心风扇转子叶片叶身结构 设计参数分析 于 洋，张 力，战 鹏，郝燕平 （沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015） 摘要：对空心叶片模型型腔和加强筋结构设计参数进行了分析；考虑到制造工 艺可行性，采用 ANSYS有限元软件对空心叶片模型进行了建模及应力分析。分析结果 表明，加强筋数量增加，或加强筋与蒙皮厚度比增大，或加强筋扩散连接区域与非连 接区域长度比增大，对蒙皮最大应力值影响不大，但对加强筋最大应力值影响较大。 关键词：空心风扇叶片；超塑成形 /扩散焊（SPF/DB）；FEA；航空发动机 Analysis of Design Parameters of Wide Chord Hollow Fan Blade Structure YU Yang， ZHANG Li, ZHAN Peng, HAO Yan-ping （Shenyang Aeroengine Research Institute, Shenyang110015, China） Abstract: The design parameters of chamber and stiffener of hollow blade model were analyzed. Considering the feasibility of manufacturing process, the simulation and stress analysis of the hollow blade model were performed by the ANSYS software. The result shows that the influence on the maximum skin stress is less and the influence on the maximum stiffener stress is larger with increasing stiffener quantity or thickness ratio of stiffener and skin or length ratio of diffusion bonding area and non- diffusion bonding area. Key words: hollow fan blade; SPF/DB; FEA; aeroengine 于洋（1976），男，硕士，工程师，从事 航空发动机压气机结构设计工作。 收稿日期：2009- 08- 11 2010年 第 36卷 第 1期 Vol.36 No.1 Feb. 2010 小。叶片的进气边和排气边为实心 结构。通过进行详细的有限元分析 评估，包括对所有可能的备选结构 进行参数分析，设计了不同结构的 空心风扇叶片，如图 2所示。而宽 弦空心风扇转子叶片内部加强筋 的位置、数量、夹角，以及叶片面板 与芯板的厚度比例，是 SPF/DB宽 弦叶片设计与制造能否成功的关 键之一。 图 1 国外宽弦空心、实心风扇转子 叶片的质量与风扇直径的关系 图 2 俄罗斯空心风扇叶片剖面 2.2 工艺特点 SPF/DB工艺方法分为 2 板 法、3板法和 4板法。加工过程中 的控制参数主要有温度、压力、时 间压力 - 时间的关系以及表面条 件等。SPF/DB空心叶片的生产过 程如图 3所示，用 3板法加工的样 件如图 4所示。 本文选用 SPF/DB结构形式 作为进一步研究的对象，并且选 择 3层板式结构。 图 3 SPF/DB空心叶片生产过程 图 4 用 3 板法加工的样件 3 空心叶片结构设计参数 强度 3.1 计算模型及载荷 对于空心叶片，在设计上，除 了叶片气动外形和叶片结构强度 须满足设计条件外，叶片内部空 腔的大小、形式以及空腔内部加 强芯板的结构形式也须如此，因 为都对叶片结构强度、振动以及 叶片 /轮盘榫联结构有较大影响。 选取 3 层板 SPF/DB的形式 作为空心叶片基本结构形式，确 定了空心叶片结构优化设计时需 要的基本结构特征参数：空心叶 片蒙皮厚度；空心叶片内部加强 筋厚度；空心叶片内部加强芯板 数量；空心叶片内部加强芯板扩 散连接长度。依据这几个基本结 构特征参数就可以确定空心叶片 内部结构形式。 空心叶片在工作中受到离心 力、气动力和振动力作用，主要载 荷是离心力和振动力，气动力对 空心叶片受力的影响相对较小， 所以，空心叶片涉及的载荷只有 离心力载荷，而不包括表面压力、 弯矩和扭矩等气动力载荷。 以某型发动机预研空心风扇 转子叶片的尺寸为基础，把叶型 横截面进行简化，得到空心叶片 模型。将空心风扇转子叶片简化 为上下 2面平行的平板叶片（如 图 5所示），其机械结构由表面上 的蒙皮和内部的加强筋构成。 图 5 空心叶片截面 在每 1个模型上，蒙皮厚度都 是相等的。而内部的加强筋厚度则 与超塑成型 /扩散连接加工工艺 过程有关，在扩散连接区域，加强 筋厚度与初始板材厚度相等；在超 塑成形区域，加强筋厚度要比初始 板材厚度略薄。具体厚度则由超塑 成形时的长度变化确定。 约束条件：叶片悬臂固支（固 支端蒙皮固定不动）；计算在弹性 范围内进行（如图 6所示）。 图 6 空心叶片有限元模型 3.2 计算结果及分析 模型空心叶片的加强筋由 3 层板的 SPF/DB形式中的中间板 生成，一部分通过扩散连接与蒙 皮焊接在一起，非连接区域则通 过超塑成形在 2 层蒙皮之间形 成。所形成的非连接区域的个数 在本文中称为加强筋的片数。 空心叶片模型有 4～18片加 强筋。考虑到在制造过程中，蒙皮 与加强筋的厚度比例过小，蒙皮 表面会出现凹槽变形现象，于是， 在初始状态，将叶片加强筋与叶 片蒙皮厚度比设为 1：1；在计算 时，将叶片加强筋与叶片蒙皮厚 度比提高为 1：2至 1：3；而在扩 散连接区域和超塑成型区域，长度 24 / 2 5于 洋等：宽弦空心风扇转子叶片叶身结构设计参数分析 比分别从 1：3、1：1至 3：1。根据某 型涡轮风扇发动机风扇转子的工 作状态，将空心叶片模型的离心力 载荷设为角速度 1500 rad/s；在这一 假设下，分析离心力载荷下的结构 变化对空心叶片受力的影响。 此类空心叶片的特点是壁比 较薄，而且叶身很长，因此，在根 部只对蒙皮施加约束，对加强筋 不施加约束。 （1）加强筋数量对加强筋及 蒙皮的等效应力最大值的影响。 在空心叶片加强筋与蒙皮厚度比 为 1：3的情况下，分析在离心力 载荷作用下，加强筋数目（分别选 取 4、6、10、14、18）对空心叶片受 力的影响（如图 7所示）。 图 7 等效应力最大值与加强筋 数目的关系 （2）加强筋与蒙皮厚度比对加 强筋及蒙皮的等效应力最大值的 影响。选取空心叶片加强筋数量为 18个的情况，分析在离心力载荷作 用下，加强筋与蒙皮的厚度比（加强 筋与蒙皮的厚度比分别选为 1：9、 1：3、2：3、1：1等几种结构）对空心叶 片受力的影响（如图 8所示）。 （3）加强筋扩散连接区域与 非连接区域长度比对加强筋及蒙 皮的等效应力最大值的影响。选 取空心叶片加强筋数量为 18个, 空心叶片加强筋与蒙皮厚度比为 2：3的情况，分析在离心力载荷作 用下，加强筋扩散连接区域与非 连接区域长度比（分别选取 5：1、 3：1、1：1、1：3、1：5）对空心叶片受 力的影响（如图 9所示）。 图 8 等效应力最大值同加强筋与蒙皮 的厚度比的关系 图 9 等效应力最大值同加强筋扩散连 接区域与非连接区域长度比的关系 4 结论 （1）加强筋数量增加对蒙皮 最大应力值影响不大，但对加强 筋最大应力值影响较大。加强筋 数量开始增加时，加强筋最大应 力值略有增大；当加强筋数量增 加到一定值时，加强筋最大应力 值会突然下降。所以，在设计空心 叶片时，在考虑质量因素的同时， 应该尽量增加加强筋数量。 （2）加强筋与蒙皮厚度比增大 对蒙皮最大应力值影响不大，但对 加强筋最大应力值影响较大。加强 筋与蒙皮厚度比开始增大时，加强 筋最大应力值略有增大；当加强筋 数量增加到一定值时，加强筋最大 应力值会突然大幅度增大。 （3）加强筋扩散连接区域与 非连接区域长度比增大对蒙皮最 大应力值影响不大，但对加强筋 最大应力值影响较大。加强筋扩 散连接区域与不连接区域长度比 开始增大时，加强筋最大应力值 略有减小；当加强筋扩散连接区 域与非连接区域长度比增大到一 定值时，加强筋最大应力值会增 大；加强筋扩散连接区域与非连 接区域长度相等时，易得到较小 的加强筋最大应力值。 参考文献 [1]Fitzgerald G A, Broughton T. 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