氣墊船用墊升風(fēng)機(jī)葉片輕量化研究*

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司 安徽省通用機(jī)械復(fù)合材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥壓縮機(jī)技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

氣墊船可運(yùn)行于水面和地面上，具有獨(dú)特的兩棲性和快速性，適合作為兩棲登陸作戰(zhàn)的末端登陸裝備，在軍用和民用上都有廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)受?chē)?guó)際形勢(shì)影響，氣墊船的研究得到了廣泛的重視。

文獻(xiàn)[1]介紹了英國(guó)全墊升氣墊船的技術(shù)發(fā)展過(guò)程，并對(duì)其性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，展望了未來(lái)氣墊船的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[2]針對(duì)大型氣墊船燃?xì)廨啓C(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)和墊升系統(tǒng)建立了準(zhǔn)確適用的數(shù)學(xué)模型、控制策略和仿真模型，仿真并分析了大型氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[3]對(duì)某型號(hào)氣墊船的墊升性能進(jìn)行了規(guī)范計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)兩種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。從上數(shù)文獻(xiàn)可以看出，針對(duì)氣墊船的研究已經(jīng)較廣泛，但大多數(shù)研究針對(duì)的是氣墊船本身的整體性能，很少有單獨(dú)對(duì)核心部件進(jìn)行研究。

氣墊船的原理主要是用大功率墊升風(fēng)機(jī)向船底持續(xù)輸入空氣，從而將船底升起，在水面與船體之間形成氣墊，降低摩擦阻力，使船體可以高速前進(jìn)并且可以直接登陸。大型氣墊船所采用的墊升風(fēng)機(jī)通常為單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)，作為其核心部件，具備大直徑（葉輪直徑可達(dá)到2米多）、高負(fù)荷（功率可達(dá)3 000kW以上）、使用環(huán)境惡劣（高溫、高濕、高鹽）、葉片質(zhì)量輕（僅為常規(guī)設(shè)計(jì)的1/4）等特點(diǎn)，因此墊升風(fēng)機(jī)葉片面臨高可靠性、高效氣動(dòng)與輕量化設(shè)計(jì)的復(fù)雜挑戰(zhàn)，尤其是保證可靠性下的輕量化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[4]用PP-GF28替代原來(lái)AS-GF20為例，從材料力學(xué)性能、軸流風(fēng)葉單體性能、整機(jī)風(fēng)量、整機(jī)噪聲等方面驗(yàn)證了PP-GF28替代原來(lái)ASGF20在室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)用的可行性。文獻(xiàn)[5]基于修正的風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)理論，采用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)從而改善其性能并降低其質(zhì)量。從上述文獻(xiàn)可以看出，針對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片輕量化研究，已經(jīng)較為普遍。但針對(duì)大直徑、高轉(zhuǎn)速、使用環(huán)境惡劣且輕量化要求極高的氣墊船用墊升風(fēng)機(jī)葉片的研究，還沒(méi)有公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)。

本文根據(jù)現(xiàn)有某型號(hào)氣墊船軸流式墊升風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，從選材、強(qiáng)度計(jì)算、成型方法等方面對(duì)氣墊船用墊升風(fēng)機(jī)葉片的輕量化進(jìn)行對(duì)比研究。

1 設(shè)計(jì)要求

某型號(hào)氣墊船墊升風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：流量300m3/s，全壓12 200Pa，轉(zhuǎn)速1 320r/min，葉片數(shù)量12片，為確保風(fēng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)要求，單片葉片質(zhì)量應(yīng)小于37.5kg。

2 葉片選材

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)開(kāi)展葉片的高效氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]，設(shè)計(jì)過(guò)程本文不再贅述，得到的葉片形狀如圖1所示，單片葉片的長(zhǎng)度965mm，為保證葉片質(zhì)量不大于37.5kg，葉片的平均密度不大于1.85g/cm3。針對(duì)高強(qiáng)度低密度輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)比較，選擇鋁合金ZL114A和碳纖維T700[7-8]材料作為研究對(duì)象，兩種材料的力學(xué)性能如表1所示，從表中可以看出鋁合金密度偏高，需要做成中空結(jié)構(gòu)才能滿(mǎn)足質(zhì)量要求。

圖1 葉片三維造型圖Fig.1 Blade three-dimensional model

表1 兩種材料力學(xué)性能表Tab.1 Mechanical properties of two materials

3 葉片強(qiáng)度計(jì)算

為了確保葉片的可靠性，需對(duì)葉片進(jìn)行強(qiáng)度校核，以下是葉片的有限元計(jì)算過(guò)程[9-10]。

3.1 應(yīng)力計(jì)算

定義鋁合金葉片的壁厚10mm，此時(shí)葉片質(zhì)量29.75kg。對(duì)鋁合金葉片葉根與輪轂接觸面施加固定約束條件，以葉輪軸線(xiàn)作為旋轉(zhuǎn)軸，施加1 320r/min的離心力載荷，計(jì)算葉片的應(yīng)力分布。等效應(yīng)力分布如圖2所示，最大應(yīng)力為243.5MPa，安全系數(shù)1.314。

圖2 鋁合金葉片等效應(yīng)力分布圖Fig.2 Equivalent stress distribution diagram of aluminum alloy blade

對(duì)碳纖維葉片施加相同的約束條件和載荷，等效應(yīng)力分布如圖3所示[11-12]，最大應(yīng)力為167MPa，T700的屈服強(qiáng)度＞1 000MPa，安全系數(shù)＞5.99。

圖3 碳纖維葉片應(yīng)力分布圖Fig.3 Equivalent stress distribution diagram of carbon fiber blade

從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，兩者的強(qiáng)度都可以滿(mǎn)足要求，但碳纖維葉片的安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金葉片，從使用角度來(lái)說(shuō)，碳纖維的安全性更高。

4.2 葉片的模態(tài)計(jì)算

據(jù)統(tǒng)計(jì)，軸流風(fēng)機(jī)失效主要模式之一是葉片疲勞，根據(jù)本案軸流風(fēng)機(jī)使用環(huán)境的特殊性，擬開(kāi)展葉片模態(tài)分析[7]，以期共振頻率避開(kāi)風(fēng)機(jī)自身的固有頻率，確保使用中的安全可靠。

對(duì)兩種材料葉片的葉根與輪轂接觸面施加相同的固定約束，利用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)求解計(jì)算，并提取出前8階固有頻率，如表2和表3所示。

表2 鋁合金葉片前8階固有頻率Tab.2 The inherent frequency of the first eight steps of the aluminum alloy blade

表3 碳纖維葉片前8階固有頻率Tab.3 The inherent frequency of the first eight steps of the carbon fiber blade

對(duì)比兩種葉片的前8階振型圖，如圖4、圖5所示，從圖中可以看出在相同階次下模態(tài)形狀變化趨勢(shì)相同。

從表2和表3的結(jié)果來(lái)看，碳纖維葉片相同階次的固有頻率均高于鋁合金葉片。均高于工作轉(zhuǎn)速1 320r/min所對(duì)應(yīng)的22Hz（基頻），在工作范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生基頻共振，但鋁合金葉片的第8階固有頻率與葉輪的2階通過(guò)頻率528Hz非常接近，存在發(fā)生共振的風(fēng)險(xiǎn)，需要改進(jìn)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以避開(kāi)通過(guò)頻率共振。從使用角度來(lái)說(shuō)，碳纖維葉片的安全性更高。

5 碳纖維鋪層方式

在模態(tài)計(jì)算時(shí)，默認(rèn)材料是各向同性，這種計(jì)算方法適用于鋁合金葉片，對(duì)于碳纖維葉片來(lái)說(shuō)，由于其材料是各向異性，模態(tài)計(jì)算結(jié)果可以作為參考。實(shí)際上鋪層方式的不同都會(huì)帶來(lái)固有頻率的變化[13-14]。考慮到制作不同方式碳纖維葉片的造價(jià)太昂貴，為了尋找固有頻率的變化規(guī)律，簡(jiǎn)化葉片模型，將其視作直板并縮小，制作如表4所示的8種鋪層方式的碳纖維復(fù)合板，通過(guò)激振試驗(yàn)得到8種碳纖維板的固有頻率變化規(guī)律。

表4 碳纖維試樣板的鋪層方式Tab.4 The layering method of carbon fiber sample

激振試驗(yàn)通過(guò)固定碳纖維板的一端，另一端連接激振器，通過(guò)激振器給予碳纖維板不同頻率的激振源，通過(guò)頻率分析儀分析碳纖維板對(duì)激振頻率的變形量來(lái)測(cè)試其固有頻率（如圖6所示）。

整理8種碳纖維板的前3階固有頻率，結(jié)果如表5所示。

圖4 鋁合金葉片前8階振型圖Fig.4 The first eight steps modes of aluminum alloy blade

圖6 碳纖維板激振試驗(yàn)Fig.6 Carbon fiber plate vibration test

圖7 碳纖維層合板固有頻率分布圖Fig.7 Natural frequency distribution of carbon fiber laminates

將試驗(yàn)結(jié)果整理成柱狀圖，如圖7所示，按照距離基頻遠(yuǎn)的準(zhǔn)則，固有頻率值大有利于葉片設(shè)計(jì)?？梢钥吹?，試樣1-7的1階2階固有頻率最大，試驗(yàn)效果最好，但由于1-7為單向鋪層板，不利于承受多向受力，綜合比較試驗(yàn)1-3固有頻率高且強(qiáng)度好，因此按照試樣1-3的鋪層方式固有頻率效果最好。通過(guò)試驗(yàn)找到了碳纖維固有頻率的變化規(guī)律，為后期優(yōu)化葉片鋪層方式提供了一定的參考。

6 結(jié)論

1）氣墊船用墊升軸流風(fēng)機(jī)葉片需滿(mǎn)足高強(qiáng)度、低密度、輕量化的設(shè)計(jì)要求，從選材上來(lái)看，鋁合金和碳纖維復(fù)合材料都可以滿(mǎn)足要求；

2）從強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果來(lái)看，相同結(jié)構(gòu)碳纖維葉片的安全性更高，安全系數(shù)約為鋁合金葉片的4.5倍；碳纖維葉片相同階次的固有頻率均高于鋁合金葉片，鋁合金葉片通過(guò)頻率隔離裕度低。

3）根據(jù)碳纖維板的激振試驗(yàn)結(jié)果，按照[0/90/45/-45/0/-45/45/0/45/-45]s的方式進(jìn)行鋪層，可保證固有頻率高且強(qiáng)度好，試驗(yàn)也找到了碳纖維固有頻率的變化規(guī)律，為后期葉片鋪層提供了一些數(shù)據(jù)支持。