纖維增強(qiáng)整體葉環(huán)/盤強(qiáng)度問題分析

葛長闖，曹 航，伊 鋒

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

纖維增強(qiáng)整體葉環(huán)/盤強(qiáng)度問題分析

葛長闖，曹 航，伊 鋒

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

為了盡可能全面剖析纖維增強(qiáng)整體葉環(huán)（簡稱葉環(huán)）的優(yōu)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，明確纖維增強(qiáng)葉環(huán)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度優(yōu)化問題及加工制造要求，利用A N SY S有限元軟件，在分析典型纖維增強(qiáng)葉環(huán)和特殊纖維增強(qiáng)整體葉盤（簡稱葉盤）結(jié)構(gòu)的受力特性基礎(chǔ)上，結(jié)合前期對纖維增強(qiáng)葉環(huán)/盤特性的認(rèn)識了解，提出了纖維增強(qiáng)葉環(huán)/盤結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用中出現(xiàn)的減質(zhì)、壽命、剛度和熱變形不協(xié)調(diào)等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，并分析了這些問題產(chǎn)生的機(jī)理，可供纖維增強(qiáng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)和檢查時參考。

整體葉環(huán)/盤；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；碳化硅纖維；纖維增強(qiáng)；航空發(fā)動機(jī)

0 引言

為了滿足未來軍用航空發(fā)動機(jī)高推重比的設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)減質(zhì)備受關(guān)注。因此，具有一定減質(zhì)優(yōu)勢的葉環(huán)技術(shù)的研究和應(yīng)用，成為當(dāng)今世界各航空大國的熱門課題之一[1]。

葉環(huán)是用環(huán)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)代替盤式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的1種新型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，兼顧了承力與減質(zhì)的需求。但其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、新材料研制、加工制造和無損檢測等諸多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

本文基于前期對纖維增強(qiáng)葉環(huán)/盤結(jié)構(gòu)的研究成果，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，分析了葉環(huán)應(yīng)用的潛力與亟待突破的技術(shù)瓶頸，分析結(jié)論可供纖維增強(qiáng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及加工制造參考。

1 葉環(huán)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

轉(zhuǎn)子典型結(jié)構(gòu)通?？煞譃楣氖?、盤式和盤鼓混合式[2]，后2種較為常見。對常規(guī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子來說，如果取消輪盤結(jié)構(gòu)，保留鼓筒，則由于鼓筒形心半徑較大，在缺少輪盤約束的情況下，鼓筒在離心力作用下的變形會較大，子午面單位面積承受負(fù)荷增加，引起周向應(yīng)力水平升高，穩(wěn)定性和可靠性就會大大降低。因此，1種新型的鼓式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式---纖維增強(qiáng)葉環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

葉環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是繼承鼓式和盤鼓混合式轉(zhuǎn)子的特性而提出的1種新概念轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該類轉(zhuǎn)子力圖降低輻板以下材料的使用量。由于環(huán)結(jié)構(gòu)所處截面形心距發(fā)動機(jī)軸線較遠(yuǎn)，在離心力作用下，環(huán)結(jié)構(gòu)子午面周向應(yīng)力非常大，因此需要利用具有更高比強(qiáng)度性能的材料來加強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，就像鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣。碳化硅纖維材料憑借較高的比強(qiáng)度和比剛度特性，被國際各大航空公司競相研究和應(yīng)用。該材料的研發(fā)成功也使葉環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)展成為可能。過去十余年間，GE、PW、RR、SNECMA、MTU等公司正在大力開發(fā)和驗(yàn)證這種纖維增強(qiáng)葉環(huán)結(jié)構(gòu)[3-4]。

截至目前研究，采用連續(xù)單根碳化硅長絲增強(qiáng)的Ti基復(fù)合材料制造的壓氣機(jī)葉環(huán)轉(zhuǎn)子，可以使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕70%，而且可以提高其高溫性能。用單根長絲增強(qiáng)的Ti基復(fù)合材料制造的整體葉環(huán)是用直徑為100 μm或更粗的碳化硅連續(xù)長絲在Ti合金基體上纏繞成形而成。所用的長絲是在鎢絲或未擰成絲束的單根碳纖維外表面用化學(xué)氣相沉積工藝沉積1層硼化硅或碳化硅陶瓷，再將數(shù)根碳化硅纖維擰成纖維束制成連續(xù)的長絲。單長絲增強(qiáng)的復(fù)合材料在高溫下在沿纖維方向具有很高的比強(qiáng)度和比剛度。盤榫結(jié)構(gòu)、整體葉盤結(jié)構(gòu)和纖維增強(qiáng)整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)的減質(zhì)效果如圖1所示[1,3-7]。

圖1 葉環(huán)相對葉盤結(jié)構(gòu)減質(zhì)效果

2 纖維增強(qiáng)葉環(huán)/盤受力特性分析

2.1 纖維增強(qiáng)葉環(huán)結(jié)構(gòu)

美國TEXTRON公司建立了世界上第1條Ti基復(fù)合材料生產(chǎn)線，生產(chǎn)SCS系列SiC（C芯）纖維，用于增強(qiáng)Ti合金和Ti-Al金屬間化合物。

在綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)（IHPTET）研究計(jì)劃下，AADC公司設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了XTC-16系列核心機(jī)4級壓氣機(jī)的第3、4級采用碳化硅增強(qiáng)的TiMMC整體葉環(huán)。AADC公司的葉環(huán)與常規(guī)結(jié)構(gòu)的對比如圖2所示。

圖2 AADC公司的整體葉環(huán)與常規(guī)結(jié)構(gòu)的對比

英、德研制的TiMMC葉環(huán)成功地進(jìn)行了零件試驗(yàn)，擬用于改進(jìn)EJ200發(fā)動機(jī)的3級風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)，為大大提高EJ200發(fā)動機(jī)的推重比提供技術(shù)基礎(chǔ)，如圖3所示。RR公司的SiC纖維/Ti基復(fù)合材料葉環(huán)（如圖4所示）共有3個SiC纖維加強(qiáng)Ti合金環(huán)經(jīng)熱等靜壓形成一體，每個SiC纖維環(huán)的體積約占單環(huán)的 35%。在 20世紀(jì) 90年代中期，Wolfgang Krueger等人將該結(jié)構(gòu)葉環(huán)申請了專利[3,8-11]。

圖3 EJ200發(fā)動機(jī)目前和將來的風(fēng)扇設(shè)計(jì)

圖4 RR公司SiC纖維/Ti基復(fù)合材料葉環(huán)

為了解纖維增強(qiáng)葉環(huán)的受力特性，對1種典型纖維增強(qiáng)葉環(huán)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。中間纖維強(qiáng)度性能數(shù)據(jù)按表1中比強(qiáng)度較好的材料2相應(yīng)體積比（纖維體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%）下的材料性能測試數(shù)據(jù)輸入，并考慮離心負(fù)荷影響，溫度取均溫數(shù)據(jù)。利用ANSYS軟件進(jìn)行線彈性強(qiáng)度分析，應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示。

表1 國外2種高強(qiáng)碳化硅纖維性能（室溫單絲）[12]

圖5 典型纖維增強(qiáng)葉環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

從分析結(jié)果可見，葉環(huán)結(jié)構(gòu)由于半徑較大，纖維的彈性模量和強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體的，而線膨脹系數(shù)小于基體的，因此，纖維承載力更大，從而大大緩解了基體的受力水平。另外，由于徑向應(yīng)力較小，大大降低了基體與纖維絲剝離的危險性，也降低了熱等靜壓界面起裂的風(fēng)險。但實(shí)際上這與結(jié)構(gòu)自身載荷水平關(guān)系非常密切。如果半徑過大，結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及工作轉(zhuǎn)速較高，溫度過高導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部變形不協(xié)調(diào)加劇，徑向和周向應(yīng)力都會使界面發(fā)生剝離的危險性大大增加。另外，纖維與基體之間由于變形不協(xié)調(diào)也容易發(fā)生剪切破壞，使纖維自基體中拉脫出來。

從圖5中可見，最大周向應(yīng)力很大，如果對于一般的金屬材料，已經(jīng)發(fā)生破壞。但是當(dāng)纖維材料的拉伸強(qiáng)度足夠大時，復(fù)合材料尚能承受該應(yīng)力水平。另外，纖維環(huán)區(qū)域周向應(yīng)力分布具有不均勻性，這對纖維絲來說會是致命的問題。這種應(yīng)力分布形式使環(huán)心周向應(yīng)力比較大，而這種現(xiàn)象對塑性較差的纖維材料來說，承受過大應(yīng)力可能首先使局部纖維絲斷裂，而后纖絲斷裂向周圍擴(kuò)展引起結(jié)構(gòu)破壞（纖維材料塑性差，工作過程中難以通過塑性變形調(diào)節(jié)整體應(yīng)力均勻分布）。

另外，葉環(huán)周向應(yīng)力承載水平的提升導(dǎo)致徑向應(yīng)力的減小，這在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該密切注意和加以明確，應(yīng)考慮防止子午面周向應(yīng)力儲備不足造成葉環(huán)沿徑向破裂，導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的非包容性問題。

2.2 纖維增強(qiáng)葉盤結(jié)構(gòu)

針對1種纖維增強(qiáng)葉環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析。為便于比較受力特性的優(yōu)劣，建立4種不同輪轂形式的輪盤結(jié)構(gòu)模型，如圖6所示。其中，第4個盤中的藍(lán)綠色部位表示纖維增強(qiáng)環(huán)，第1級盤為目前通行的輪轂形式結(jié)構(gòu)輪盤，第2、3級盤為盤形漸進(jìn)過渡方案。

圖6 4種不同輪轂結(jié)構(gòu)輪盤有限元模型

4種輪盤結(jié)構(gòu)中面徑向、周向和盤心周向應(yīng)力分析結(jié)果分別如圖7～9所示。

圖7 4種輪盤結(jié)構(gòu)中面徑向應(yīng)力分布

圖8 4種輪盤結(jié)構(gòu)中面周向應(yīng)力分布

圖9 4種輪盤結(jié)構(gòu)盤心周向應(yīng)力分布

從圖7～9中對比可見：（1）目前常見的輪盤結(jié)構(gòu)形式（方案1）是1種優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其輪盤具有很好的承力特性和抗變形能力，盤心和子午面周向應(yīng)力水平較低，材料利用向盤心集中，因此，可更加有效地利用材料。在同樣材料使用量的前提下可增加子午面承載面積和周向破裂儲備。

（2）在方案2的輪轂上部加碳纖維增強(qiáng)環(huán)變成方案4。輪轂上側(cè)纏繞碳纖維增強(qiáng)后，盤心周向應(yīng)力明顯減小，輪盤基體子午面平均周向應(yīng)力水平也較方案1有所降低，纖維增強(qiáng)環(huán)起到了很大的承載周向應(yīng)力的作用。但是，由于此方案纖維承載能力較強(qiáng)，因此，降低了結(jié)構(gòu)整體的徑向變形，使輻板以上部位的周向應(yīng)力減小，從而導(dǎo)致周向應(yīng)力在徑向上的分力減小，引起輻板以上部位徑向應(yīng)力略有增大。不過這一現(xiàn)象符合輪盤強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想，子午面設(shè)計(jì)儲備更多，避免在使用過程中首先發(fā)生輪盤沿著子午面破裂。建議設(shè)計(jì)中采用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)時，也要密切關(guān)注輻板徑向應(yīng)力儲備水平是否足夠和合適。

3 纖維增強(qiáng)葉環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的可靠性問題

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（不論是纖維增強(qiáng)葉盤結(jié)構(gòu)還是葉環(huán)結(jié)構(gòu)）具有相似的強(qiáng)度問題，下面僅以研究更為充分的纖維增強(qiáng)葉環(huán)轉(zhuǎn)子來介紹設(shè)計(jì)使用中可能存在的問題。

3.1 質(zhì)量控制問題

纖維材料的比強(qiáng)度、比剛度直接影響到優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。從圖10中可見，由于葉環(huán)材料基本分布于距離盤心較遠(yuǎn)的地方，因此，周向材料使用量必然比盤心部位增加很多，使子午面單位面積負(fù)載增大。此時，如果纖維比強(qiáng)度水平不能達(dá)到較高要求，葉環(huán)最終結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲備將不能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，此時需要通過增大葉環(huán)寬度、厚度和纖維體積分?jǐn)?shù)等方法來保證轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度。而纖維單位體積分?jǐn)?shù)的增大不是無限度的，體積分?jǐn)?shù)增大到一定量時，會造成因徑向承載能力不足而發(fā)生破壞。而采用增加子午面面積的方法使其質(zhì)量難以保證，甚至可能超過葉盤結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。所以纖維的比強(qiáng)度水平對控制質(zhì)量問題非常重要。3.2 強(qiáng)度和壽命問題

圖10 葉環(huán)和葉盤材料不同部位用量對比

在實(shí)際工作中，葉環(huán)的主要載荷為高溫下的離心載荷，主要應(yīng)力模式為環(huán)向和徑向拉伸應(yīng)力。葉環(huán)的破裂試驗(yàn)和應(yīng)力分析均表明，結(jié)構(gòu)主要失效模式為環(huán)向、徑向拉伸破壞和基體與纖維剪切破壞等（如圖11所示）[5]。上述模式有與輪盤相似的破壞模式；有因復(fù)合材料固有特性引起的破壞模式，如基體與纖維剪切破壞；有現(xiàn)行制造工藝可能引起的潛在破壞模式，如界面間聯(lián)接的薄弱部位首先開裂。

圖11 纖維與基體剝離

3.3 剛度問題

將葉盤結(jié)構(gòu)改為葉環(huán)結(jié)構(gòu)目前還存在結(jié)構(gòu)剛度問題。由于葉盤結(jié)構(gòu)改為葉環(huán)結(jié)構(gòu)后，子午面承載面積有較大幅度減小，且環(huán)向抗彎剛性降低，因此，葉片對葉環(huán)結(jié)構(gòu)受力的影響將有較大可能超出葉片對葉盤結(jié)構(gòu)的影響。此時，纖維的比剛度將直接制約葉環(huán)結(jié)構(gòu)的變形控制能力。如果這種復(fù)合材料比剛度不足，設(shè)計(jì)中會出現(xiàn)葉環(huán)變形遠(yuǎn)高于鼓筒安裝邊變形（如圖12所示），造成結(jié)構(gòu)變形難以控制；同時，彎矩對鼓筒、安裝邊、葉根圓角等局部應(yīng)力影響可能更大，使帶轉(zhuǎn)接段強(qiáng)度試驗(yàn)件設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大困難。但在使用中，這些問題可通過加長轉(zhuǎn)接段，采用平滑過渡等方法加以緩解。另外，采用更高比強(qiáng)度的SiC纖維也會使這些題得到緩解。

3.4 熱變形不協(xié)調(diào)問題

碳化硅纖維線膨脹系數(shù)通常小于常用基體材料的，導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中由溫度引起的變形不協(xié)調(diào)問題可能較為嚴(yán)重，基體對纖維產(chǎn)生較大的拉伸作用；相反，基體受到纖維的制約，會產(chǎn)生壓應(yīng)力，如圖13所示?；w和纖維在高溫條件下的變形不協(xié)調(diào)會導(dǎo)致纖維被基體拉斷或者基體被纖維撕裂。

圖12 纖維增強(qiáng)不足時的影響

圖13 高溫環(huán)境下纖維被基體拉伸

另外，在發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工作過程中，由于基體與纖維熱容差異較大，纖維對溫度變化反應(yīng)較為滯后。有可能使在發(fā)動機(jī)上推過程中基體與纖維變形不協(xié)調(diào)較為嚴(yán)重；而在發(fā)動機(jī)下拉過程中，基體與纖維變形不協(xié)調(diào)問題相對要好一些。這一現(xiàn)象不同于金屬合金輪盤。

3.5 其他問題

由于纖維增強(qiáng)葉環(huán)為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在加工和工藝處理過程中，極易在結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部形成難以處理的缺陷，造成葉環(huán)在工作過程中易發(fā)生界面剝離、脫纖和斷纖，局部出現(xiàn)缺陷，使結(jié)構(gòu)的可靠性大大降低。

另外，材料性能的獲取方法也直接制約結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，由于利用一定體積比的復(fù)合材料制備的試件進(jìn)行拉伸、低循環(huán)疲勞等試驗(yàn)可能會獲取大量假數(shù)據(jù)，這主要可能因?yàn)閷υ嚰茐牡慕缍ú幻鞔_，造成在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有較大誤差而無法有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)； 需要大力提升試驗(yàn)階段檢查的無損檢測能力和水平，建立失效評估標(biāo)準(zhǔn)，以及早發(fā)現(xiàn)葉環(huán)內(nèi)部缺陷，防止由此導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

4 結(jié)束語

本文利用ANSYS有限元軟件分析了1種典型的纖維增強(qiáng)葉環(huán)和1種特殊的纖維增強(qiáng)葉盤結(jié)構(gòu)的受力特性，提出了纖維增強(qiáng)葉環(huán)/盤結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用中可能遇到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題及其機(jī)理，得出如下結(jié)論。

（1）纖維增強(qiáng)轉(zhuǎn)子在應(yīng)用中能否超過整體葉盤的減質(zhì)效果，主要取決于增強(qiáng)纖維比強(qiáng)度、比剛度以及壽命等指標(biāo)能否達(dá)到較高水平，若這些指標(biāo)不能有特別顯著的提升，則難以使纖維增強(qiáng)葉環(huán)/盤獲得減質(zhì)優(yōu)勢；

（2）纖維與基體以及基體與基體之間的交界面（結(jié)合面）是薄弱部位，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工工藝的選擇應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎，無損檢測時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；

（3）纖維的體積比以及纖維在子午面的分布部位和區(qū)域?qū)⒅萍s纖維增強(qiáng)葉環(huán)/盤結(jié)構(gòu)的變形控制能力，也決定了其環(huán)向抗彎剛性的高低。這些因素影響了葉環(huán)/盤徑向變形的大小以及葉根局部周向應(yīng)力的高低，也影響轉(zhuǎn)接段的局部應(yīng)力水平；

（4）由于線膨脹系數(shù)以及熱導(dǎo)率等指標(biāo)有較大差異，相對于基體來說，纖維對溫度變化反應(yīng)滯后。因此，在發(fā)動機(jī)上推過程，纖維增強(qiáng)葉環(huán)/盤中纖維和基體的熱不協(xié)調(diào)較為嚴(yán)重，下拉時反而會有所緩解。

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Analysis of Strength Prombles for Fiber Reinforcement Bling/Blisk

GE Chang-chuang,CAO Hang,YI Feng
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

In order to comprehensively analyze the advantage and structure strengthen problems of fiber reinforcement bling/blisk,the rotor strength optimization and manufacturing requirements were defined.Based on the analysis of mechanical characteristics for typical and special fiber reinforcement bling/blisk,some structure strength design problems such as weight loss,life,strength,stiffness,heat distortion inconformity were proposed by ANSYS,and their mechanisms of problems were studied.It provides reference for structure design,manufacture,testing and examination of fiber reinforcement.

bling/blisk;structure strength;silicon carbide fiber;fiber reinforcement;aeroengine

葛長闖（1979），男，碩士，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。

2013-01-24