空心可調(diào)葉片結(jié)構(gòu)分析

鄭糧椿

摘 要：可調(diào)葉片技術(shù)使航空發(fā)動(dòng)機(jī)有更寬的工作范圍以及更高的效率，隨著對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其壓氣機(jī)性能增長(zhǎng)的迫切需求，可調(diào)葉片技術(shù)將在高負(fù)荷、高流動(dòng)馬赫數(shù)、寬調(diào)節(jié)范圍、低流動(dòng)損失4項(xiàng)指標(biāo)上進(jìn)一步提高。本文研究對(duì)象為某風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉，為了減輕葉片重量，將葉片設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)和空心帶筋結(jié)構(gòu)，并對(duì)三種葉片進(jìn)行有限元計(jì)算，對(duì)比了空心結(jié)構(gòu)與實(shí)心結(jié)構(gòu)在靜強(qiáng)度和模態(tài)計(jì)算結(jié)果，表明：3種葉片靜強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求，空心加筋將結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性較好，且重量減少0.14KG。

關(guān)鍵詞：空心可調(diào)導(dǎo)葉;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元;航空發(fā)動(dòng)機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.020

1 引言

壓氣機(jī)是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要組成部件，其作用是吸入空氣，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)氣體做功，提高氣體壓力。在第一級(jí)動(dòng)葉前，還有一排進(jìn)口導(dǎo)流葉片（inlet guide vane），為了使壓氣機(jī)有更寬的工作范圍和較高的氣動(dòng)效率，進(jìn)口導(dǎo)流葉片通常采用可變角度設(shè)計(jì)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)可調(diào)葉片的性能要求較為苛刻。流速高、負(fù)荷重是主要因素，同級(jí)間放氣、機(jī)匣處理、多轉(zhuǎn)子技術(shù)等技術(shù)協(xié)同調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，擴(kuò)寬穩(wěn)定工作范圍?？烧{(diào)葉片技術(shù)的調(diào)節(jié)效果顯著，可使壓氣機(jī)在各流量下均能獲得更高的氣動(dòng)效率，而且實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)簡(jiǎn)單，被認(rèn)為是一種理想的調(diào)節(jié)技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

本文針對(duì)某風(fēng)扇進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，將葉片設(shè)計(jì)成空心不帶筋和空心帶筋結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元計(jì)算，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)強(qiáng)度和振動(dòng)特性的影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

初始實(shí)心葉片材料為T(mén)C4，密度4.44g/cm?，質(zhì)量0.45KG，將葉片分為上軸頸、葉身和球頭三個(gè)部分。通過(guò)UG軟件，參數(shù)化建模完成空心葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)是空腔邊界位置、壁厚和加強(qiáng)筋位置，三種葉片模型如圖1。

3 有限元計(jì)算

采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行前處理、計(jì)算和后處理，采用帶中節(jié)點(diǎn)的四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。計(jì)算邊界條件：在上軸頸與搖臂配合面上施加固支約束，上軸頸與襯套配合圓柱面施加柱面法向位移約束，在球頭位置直徑最大處施加法相位移約束。同時(shí)在葉片上施加溫度場(chǎng)，表面施加氣動(dòng)力，模擬真實(shí)工作狀態(tài)。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析

計(jì)算得出三種葉片靜強(qiáng)度最大等效應(yīng)力位置均在軸頸根部倒圓位置處，分別為272.94MPa、243MPa、253MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)處溫度為15℃，該溫度下拉伸強(qiáng)度為899MPa，靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。由于該導(dǎo)葉是在風(fēng)扇進(jìn)口處，主要承受氣動(dòng)力和振動(dòng)力，負(fù)荷較小，靜強(qiáng)度問(wèn)題不突出，主要還是振動(dòng)問(wèn)題。

對(duì)比3種結(jié)構(gòu)葉片頻率如圖2，模態(tài)分析表明，空心葉片與空心加筋葉片的前6階頻率基本相當(dāng)，接近實(shí)心結(jié)構(gòu)葉片?？招募咏钆c實(shí)心葉片6至12階頻率基本相同，而完全空心結(jié)構(gòu)葉片頻率偏低，且階數(shù)越高與另兩種葉片相差越大。

以空心加筋葉片為對(duì)象，計(jì)算不同壁厚條件下的頻率得出，壁厚1.5和1.8的葉片頻率基本一致壁厚為1的葉片在低階次時(shí)，與另兩種葉片頻率基本相同，高階次時(shí)，頻率略低于另兩種葉片，階次越高頻率相差越大。

實(shí)心葉片（左）和空心加筋葉片（右）的共振圖如圖2，激勵(lì)K=1，2，19，實(shí)心葉片存在6個(gè)可能出現(xiàn)共振的點(diǎn)，其中激振階次為19，振動(dòng)階次為5的點(diǎn)頻率裕度最小為2.86。在進(jìn)行空心葉片設(shè)計(jì)后，采用空心加筋結(jié)構(gòu)后，存在2個(gè)可能出現(xiàn)共振的點(diǎn)，避開(kāi)了實(shí)心葉片最小裕度點(diǎn)，振動(dòng)特性?xún)?yōu)于實(shí)心結(jié)構(gòu)。最終的空心葉片質(zhì)量為0.31KG，減重0.14KG，空心率為31%。

5 結(jié)論

（1）3種葉片，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在上端軸頸根部倒圓處，且靜強(qiáng)度儲(chǔ)備足夠高，靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

（2）實(shí)心葉片和空心加筋葉片，前12階動(dòng)頻基本相同，且都高于空心葉片。壁厚的變化主要影響高階振動(dòng)頻率，對(duì)低階振動(dòng)頻率影響不大。

（3）實(shí)心葉片在工作時(shí)存在6個(gè)可能出現(xiàn)共振的點(diǎn)，在采用空心加筋結(jié)構(gòu)后，共振點(diǎn)減少為2個(gè)，空心加筋結(jié)構(gòu)葉片振動(dòng)特性?xún)?yōu)于實(shí)心葉片。且葉片質(zhì)量減小0.14KG，空心率為31%。

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