羅煒晗

摘 要：本文通過有限元循環(huán)對稱分析法對帶新型葉根前緣結(jié)構(gòu)的離心葉輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動特性計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，新型葉根前緣結(jié)構(gòu)對葉片固有頻率及各階振型幾乎無影響;新型葉根前緣結(jié)構(gòu)不僅不會改變離心葉輪的應(yīng)力分布，而且可以有效地降低葉片葉根前緣的當(dāng)量應(yīng)力，從而提高葉片使用壽命和發(fā)動機(jī)的可靠性。

關(guān)鍵詞：葉根前緣;離心葉輪;振動特性;最大當(dāng)量應(yīng)力

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0091-03

0引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)中，整體葉盤結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，它是提高發(fā)動機(jī)性能、簡化結(jié)構(gòu)、降低重量、減少故障率、提高耐久性與可靠性的重要措施。傳統(tǒng)的整體葉盤在葉根進(jìn)氣緣處的加工方式為：球頭刀具以葉片與盤體內(nèi)流道面交線為軌跡，在葉根進(jìn)氣緣處轉(zhuǎn)向，從葉片的一側(cè)運(yùn)動到另一側(cè)，從而加工出葉根倒角，形成的葉根進(jìn)氣緣結(jié)構(gòu)。一種新型的葉根進(jìn)氣緣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：葉根進(jìn)氣緣處會在內(nèi)流道面上沿葉片方向自然地延伸一段距離形成葉根前緣，與葉片進(jìn)氣緣、內(nèi)流道面和葉根倒角光順連接。目前，這種葉根前緣結(jié)構(gòu)對離心葉輪氣動性能的影響已通過專項(xiàng)對比試驗(yàn)得出，但對葉根前緣結(jié)構(gòu)對離心葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響的認(rèn)知還十分有限，缺乏理論分析。

本文通過NX7.5三維建模軟件，在某離心葉輪模型上添加了新型葉根前緣結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用有限元分析軟件通過有限元循環(huán)對稱分析法進(jìn)行強(qiáng)度對比分析，得出葉根前緣結(jié)構(gòu)對離心葉輪強(qiáng)度的影響。

1研究方法

1.1葉片三維建模

帶新型葉根前緣結(jié)構(gòu)的離心葉輪三維模型通過更改氣動設(shè)計(jì)的葉型截面前緣部分得到。未更改前的葉型截面數(shù)據(jù)如圖1所示，通過更改靠近葉根位置的葉型截面前緣部分并保證葉根前緣部分光順連接得到新型葉根前緣的葉型截面如圖2所示。

1.2循環(huán)對稱分析法

在航空發(fā)動機(jī)中有許多循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，如整體葉輪、齒輪、軸等。根據(jù)整體葉輪結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)周期性，使分析計(jì)算限于其基本扇區(qū)內(nèi)進(jìn)行，僅對一個子結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，從而節(jié)省了大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和大量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量及計(jì)算時間[1]。

變量的旋轉(zhuǎn)對稱性（或稱旋轉(zhuǎn)周期性）是指變量沿周向呈周期性變化，即如果一個結(jié)構(gòu)存在這樣一個對稱軸：當(dāng)結(jié)構(gòu)繞此軸每旋轉(zhuǎn)一個角度，結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)以前完全相同（這里所說的完全相同包括材料常數(shù)?、ρ、E等）[2]。這種結(jié)構(gòu)稱為回轉(zhuǎn)循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)（簡稱循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)）。符合這一條件的最小α角，稱為回轉(zhuǎn)周期。令，N必為一個整數(shù)，稱為循環(huán)對稱的階數(shù)。

1.3有限元計(jì)算模型

根據(jù)上述方法，本文對帶新型葉根前緣結(jié)構(gòu)離心葉輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并與傳統(tǒng)葉根前緣的離心葉輪的強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行對比，找出葉根前緣結(jié)構(gòu)對離心葉輪強(qiáng)度的影響。

1.3.1原始數(shù)據(jù)

離心葉輪右端通過內(nèi)花鍵與高壓渦輪盤外花鍵相嚙合傳遞扭矩，并通過中心拉桿與高壓渦輪盤、滾棒軸承軸向壓緊形成高壓轉(zhuǎn)子，附件傳動錐齒輪、滾珠軸承通過壓緊螺母固定在離心葉輪前軸頸上。離心葉輪所用材料為鍛件某種鈦合金，詳細(xì)材料性能數(shù)據(jù)見材料數(shù)據(jù)手冊。

1.3.2計(jì)算工況

因本文主要研究的是葉根前緣結(jié)構(gòu)對離心葉輪強(qiáng)度的影響，而離心葉輪的受載情況主要由其所受的離心載荷決定，因此在進(jìn)行有限元計(jì)算時，只考慮離心葉輪受到的離心載荷。計(jì)算轉(zhuǎn)速取應(yīng)急狀態(tài)轉(zhuǎn)速。

1.3.3有限元模型

本次計(jì)算時未考慮花鍵、動平衡配重凸臺，簡化后的離心葉輪共包括N對大、小葉片，其結(jié)構(gòu)和載荷均具備循環(huán)對稱性，故采用循環(huán)對稱模型進(jìn)行分析。取包含一對完整大、小葉片在內(nèi)的整個模型的1/N循環(huán)對稱段作為計(jì)算模型，采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共包括440558個單元，615873個節(jié)點(diǎn)，大小葉片葉根前緣處對網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化。有限元網(wǎng)格模型見圖3。約束滾珠軸承所在面上所有節(jié)點(diǎn)的軸向位移，約束花鍵所在面上所有節(jié)點(diǎn)的周向位移，在兩切割面上施加對稱約束。

2帶前緣結(jié)構(gòu)離心葉輪的強(qiáng)度計(jì)算及分析對比

傳統(tǒng)葉根前緣結(jié)構(gòu)離心葉輪當(dāng)量應(yīng)力分布見圖4，帶新型葉根前緣結(jié)構(gòu)離心葉輪當(dāng)量應(yīng)力分布見圖5。在采用相同的網(wǎng)格密度和網(wǎng)格局部細(xì)化方法的條件下，通過計(jì)算和對比分析可知，傳統(tǒng)葉根前緣結(jié)構(gòu)的離心葉輪在小葉片葉根前緣存在最大應(yīng)力點(diǎn)，在離心葉輪大小葉片上增加新型葉根前緣結(jié)構(gòu)以后，整個離心葉輪的應(yīng)力分布無顯著變化，小葉片葉根前緣當(dāng)量應(yīng)力下降顯著，下降幅值接近10%，大葉片葉根前緣當(dāng)量應(yīng)力無顯著變化。

采用通用斜率法[3]對不同小葉片葉根前緣結(jié)構(gòu)的葉片進(jìn)行低循環(huán)疲勞壽命估算，得到的結(jié)果見表1：

3帶前緣結(jié)構(gòu)的離心葉輪葉片的振動特性分析

通過有限元分析軟件分別對不帶葉根羽狀前緣結(jié)構(gòu)的離心葉輪大小葉片和添加了葉根羽狀前緣結(jié)構(gòu)的大小葉片進(jìn)行模態(tài)分析，大、小葉片固有頻率對比分別見表2、表3。大、小葉片1階振型對比分別見圖6、圖7。

通過計(jì)算結(jié)果對比可知，這種葉根前緣結(jié)構(gòu)對大、小葉片固有頻率及各階振型幾乎無影響。

4結(jié)論

本文研究的對象是離心葉輪上一種新型的葉根前緣結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段對這種葉根前緣結(jié)構(gòu)的認(rèn)知還十分有限，缺乏理論分析。本文主要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面入手，通過有限元循環(huán)對稱分析法對帶新型葉根前緣結(jié)構(gòu)的離心葉輪進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）當(dāng)離心葉輪葉片葉根前緣沒有大應(yīng)力點(diǎn)時，采用這種葉根前緣結(jié)構(gòu)不會改變離心葉輪的應(yīng)力分布，對葉片葉根前緣的應(yīng)力影響不大。

（2）當(dāng)離心葉輪葉片葉根前緣出現(xiàn)大應(yīng)力點(diǎn)時，采用這種葉根前緣結(jié)構(gòu)不會改變離心葉輪的應(yīng)力分布，而且可以有效地降低葉片葉根前緣的當(dāng)量應(yīng)力，從而提高葉片使用壽命和發(fā)動機(jī)的可靠性。

（3）葉根前緣結(jié)構(gòu)對大、小葉片固有頻率及各階振型幾乎無影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙曉平.Q/8SFGF20.1009-2004，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)輪盤靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范[Z].第六〇八研究所，2004.

[2] 宋巍.航空發(fā)動機(jī)整體葉輪強(qiáng)度優(yōu)化技術(shù)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

[3] 劉存，孫志剛，胡緒騰.某型發(fā)動機(jī)第2級渦輪葉片低循環(huán)疲勞壽命分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2009（2）：34-37.