于 洋，張 力，戰(zhàn) 鵬，郝燕平

（沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

寬弦空心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片葉身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

于 洋，張 力，戰(zhàn) 鵬，郝燕平

（沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

對(duì)空心葉片模型型腔和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析；考慮到制造工藝可行性，采用ANSYS有限元軟件對(duì)空心葉片模型進(jìn)行了建模及應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明，加強(qiáng)筋數(shù)量增加，或加強(qiáng)筋與蒙皮厚度比增大，或加強(qiáng)筋擴(kuò)散連接區(qū)域與非連接區(qū)域長(zhǎng)度比增大，對(duì)蒙皮最大應(yīng)力值影響不大，但對(duì)加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值影響較大。

空心風(fēng)扇葉片；超塑成形/擴(kuò)散焊（SPF/DB）；FEA；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

1 引言

高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是綜合考慮氣動(dòng)、質(zhì)量、振動(dòng)、噪聲、結(jié)構(gòu)完整性和可靠性以及制造成本等因素，擇優(yōu)選擇設(shè)計(jì)方案，以最小的質(zhì)量達(dá)到推力指標(biāo)要求。寬弦空心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是滿(mǎn)足了這些要求的典型設(shè)計(jì)范例。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，國(guó)外在寬弦空心風(fēng)扇葉片方面的研究起步早，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和相關(guān)分析方面的水平很高，在研、在役及預(yù)研渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)均使用了寬弦空心風(fēng)扇葉片；國(guó)內(nèi)則在總體水平上落后于國(guó)外。

本文對(duì)寬弦空心風(fēng)扇葉片葉身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、強(qiáng)度分析方法進(jìn)行研究。

2 SPF/DB寬弦空心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

寬弦空心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片取消了凸肩，增加了弦的寬度。與實(shí)心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片相比，葉柵通道面積加大，喘振裕度、級(jí)效率提高。SPF/DB寬弦空心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的葉身由3或4層鈦合金板通過(guò)SPF/DB連接在一起；芯部是桁架式空心的結(jié)構(gòu)，外側(cè)是2塊厚壁蒙皮，蒙皮的厚度從根部沿葉高遞減。

空心結(jié)構(gòu)處在葉片的上部，約占葉片的2/3，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的質(zhì)量降低（如圖1所示），離心力減小。葉片的進(jìn)氣邊和排氣邊為實(shí)心結(jié)構(gòu)。通過(guò)進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析評(píng)估，包括對(duì)所有可能的備選結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的空心風(fēng)扇葉片，如圖2所示。而寬弦空心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部加強(qiáng)筋的位置、數(shù)量、夾角，以及葉片面板與芯板的厚度比例，是SPF/DB寬弦葉片設(shè)計(jì)與制造能否成功的關(guān)鍵之一。

2.2 工藝特點(diǎn)

SPF/DB工藝方法分為2板法、3板法和4板法。加工過(guò)程中的控制參數(shù)主要有溫度、壓力、時(shí)間壓力-時(shí)間的關(guān)系以及表面條件等。SPF/DB空心葉片的生產(chǎn)過(guò)程如圖3所示，用3板法加工的樣件如圖4所示。

本文選用SPF/DB結(jié)構(gòu)形式作為進(jìn)一步研究的對(duì)象，并且選擇3層板式結(jié)構(gòu)。

3 空心葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)強(qiáng)度

3.1 計(jì)算模型及載荷

對(duì)于空心葉片，在設(shè)計(jì)上，除了葉片氣動(dòng)外形和葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件外，葉片內(nèi)部空腔的大小、形式以及空腔內(nèi)部加強(qiáng)芯板的結(jié)構(gòu)形式也須如此，因?yàn)槎紝?duì)葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)以及葉片/輪盤(pán)榫聯(lián)結(jié)構(gòu)有較大影響。

選取3層板SPF/DB的形式作為空心葉片基本結(jié)構(gòu)形式，確定了空心葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要的基本結(jié)構(gòu)特征參數(shù)：空心葉片蒙皮厚度；空心葉片內(nèi)部加強(qiáng)筋厚度；空心葉片內(nèi)部加強(qiáng)芯板數(shù)量；空心葉片內(nèi)部加強(qiáng)芯板擴(kuò)散連接長(zhǎng)度。依據(jù)這幾個(gè)基本結(jié)構(gòu)特征參數(shù)就可以確定空心葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式。

空心葉片在工作中受到離心力、氣動(dòng)力和振動(dòng)力作用，主要載荷是離心力和振動(dòng)力，氣動(dòng)力對(duì)空心葉片受力的影響相對(duì)較小，所以，空心葉片涉及的載荷只有離心力載荷，而不包括表面壓力、彎矩和扭矩等氣動(dòng)力載荷。

以某型發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研空心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的尺寸為基礎(chǔ)，把葉型橫截面進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到空心葉片模型。將空心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片簡(jiǎn)化為上下2面平行的平板葉片（如圖5所示），其機(jī)械結(jié)構(gòu)由表面上的蒙皮和內(nèi)部的加強(qiáng)筋構(gòu)成。

在每1個(gè)模型上，蒙皮厚度都是相等的。而內(nèi)部的加強(qiáng)筋厚度則與超塑成型/擴(kuò)散連接加工工藝過(guò)程有關(guān)，在擴(kuò)散連接區(qū)域，加強(qiáng)筋厚度與初始板材厚度相等；在超塑成形區(qū)域，加強(qiáng)筋厚度要比初始板材厚度略薄。具體厚度則由超塑成形時(shí)的長(zhǎng)度變化確定。

約束條件：葉片懸臂固支（固支端蒙皮固定不動(dòng)）；計(jì)算在彈性范圍內(nèi)進(jìn)行（如圖6所示）。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

模型空心葉片的加強(qiáng)筋由3層板的SPF/DB形式中的中間板生成，一部分通過(guò)擴(kuò)散連接與蒙皮焊接在一起，非連接區(qū)域則通過(guò)超塑成形在2層蒙皮之間形成。所形成的非連接區(qū)域的個(gè)數(shù)在本文中稱(chēng)為加強(qiáng)筋的片數(shù)。

空心葉片模型有4～18片加強(qiáng)筋?？紤]到在制造過(guò)程中，蒙皮與加強(qiáng)筋的厚度比例過(guò)小，蒙皮表面會(huì)出現(xiàn)凹槽變形現(xiàn)象，于是，在初始狀態(tài)，將葉片加強(qiáng)筋與葉片蒙皮厚度比設(shè)為1：1；在計(jì)算時(shí)，將葉片加強(qiáng)筋與葉片蒙皮厚度比提高為1：2至1：3；而在擴(kuò)散連接區(qū)域和超塑成型區(qū)域，長(zhǎng)度比分別從 1：3、1：1至 3：1。根據(jù)某型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)，將空心葉片模型的離心力載荷設(shè)為角速度1500rad/s；在這一假設(shè)下，分析離心力載荷下的結(jié)構(gòu)變化對(duì)空心葉片受力的影響。

此類(lèi)空心葉片的特點(diǎn)是壁比較薄，而且葉身很長(zhǎng)，因此，在根部只對(duì)蒙皮施加約束，對(duì)加強(qiáng)筋不施加約束。

（1）加強(qiáng)筋數(shù)量對(duì)加強(qiáng)筋及蒙皮的等效應(yīng)力最大值的影響。在空心葉片加強(qiáng)筋與蒙皮厚度比為1：3的情況下，分析在離心力載荷作用下，加強(qiáng)筋數(shù)目（分別選取 4、6、10、14、18）對(duì)空心葉片受力的影響（如圖7所示）。

（2）加強(qiáng)筋與蒙皮厚度比對(duì)加強(qiáng)筋及蒙皮的等效應(yīng)力最大值的影響。選取空心葉片加強(qiáng)筋數(shù)量為18個(gè)的情況，分析在離心力載荷作用下，加強(qiáng)筋與蒙皮的厚度比（加強(qiáng)筋與蒙皮的厚度比分別選為1：9、1：3、2：3、1：1等幾種結(jié)構(gòu)）對(duì)空心葉片受力的影響（如圖8所示）。

（3）加強(qiáng)筋擴(kuò)散連接區(qū)域與非連接區(qū)域長(zhǎng)度比對(duì)加強(qiáng)筋及蒙皮的等效應(yīng)力最大值的影響。選取空心葉片加強(qiáng)筋數(shù)量為18個(gè),空心葉片加強(qiáng)筋與蒙皮厚度比為2：3的情況，分析在離心力載荷作用下，加強(qiáng)筋擴(kuò)散連接區(qū)域與非連接區(qū)域長(zhǎng)度比（分別選取5：1、3：1、1：1、1：3、1：5）對(duì)空心葉片受力的影響（如圖9所示）。

4 結(jié)論

（1）加強(qiáng)筋數(shù)量增加對(duì)蒙皮最大應(yīng)力值影響不大，但對(duì)加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值影響較大。加強(qiáng)筋數(shù)量開(kāi)始增加時(shí)，加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值略有增大；當(dāng)加強(qiáng)筋數(shù)量增加到一定值時(shí)，加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值會(huì)突然下降。所以，在設(shè)計(jì)空心葉片時(shí)，在考慮質(zhì)量因素的同時(shí)，應(yīng)該盡量增加加強(qiáng)筋數(shù)量。

（2）加強(qiáng)筋與蒙皮厚度比增大對(duì)蒙皮最大應(yīng)力值影響不大，但對(duì)加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值影響較大。加強(qiáng)筋與蒙皮厚度比開(kāi)始增大時(shí)，加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值略有增大；當(dāng)加強(qiáng)筋數(shù)量增加到一定值時(shí)，加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值會(huì)突然大幅度增大。

（3）加強(qiáng)筋擴(kuò)散連接區(qū)域與非連接區(qū)域長(zhǎng)度比增大對(duì)蒙皮最大應(yīng)力值影響不大，但對(duì)加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值影響較大。加強(qiáng)筋擴(kuò)散連接區(qū)域與不連接區(qū)域長(zhǎng)度比開(kāi)始增大時(shí)，加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值略有減??；當(dāng)加強(qiáng)筋擴(kuò)散連接區(qū)域與非連接區(qū)域長(zhǎng)度比增大到一定值時(shí)，加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值會(huì)增大；加強(qiáng)筋擴(kuò)散連接區(qū)域與非連接區(qū)域長(zhǎng)度相等時(shí)，易得到較小的加強(qiáng)筋最大應(yīng)力值。

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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）

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.

hollow fan blade;SPF/DB;FEA;aeroengine

于洋（1976），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。