關于一種新型葉根前緣結構的研究

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構的離心葉輪進行了結構強度和振動特性計算分析。計算結果表明，新型葉根前緣結構對葉片固有頻率及各階振型幾乎無影響;新型葉根前緣結構不僅不會改變離心葉輪的應力分布，而且可以有效地降低葉片葉根前緣的當量應力，從而提高葉片使用壽命和發(fā)動機的可靠性。

關鍵詞：葉根前緣;離心葉輪;振動特性;最大當量應力

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

0引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機中，整體葉盤結構已經(jīng)被廣泛應用，它是提高發(fā)動機性能、簡化結構、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，在葉根進氣緣處轉向，從葉片的一側運動到另一側，從而加工出葉根倒角，形成的葉根進氣緣結構。一種新型的葉根進氣緣結構的特點是：葉根進氣緣處會在內(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，這種葉根前緣結構對離心葉輪氣動性能的影響已通過專項對比試驗得出，但對葉根前緣結構對離心葉輪結構強度的影響的認知還十分有限，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構，并運用有限元分析軟件通過有限元循環(huán)對稱分析法進行強度對比分析，得出葉根前緣結構對離心葉輪強度的影響。

1研究方法

1.1葉片三維建模

帶新型葉根前緣結構的離心葉輪三維模型通過更改氣動設計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)動機中有許多循環(huán)對稱結構，如整體葉輪、齒輪、軸等。根據(jù)整體葉輪結構的旋轉周期性，使分析計算限于其基本扇區(qū)內(nèi)進行，僅對一個子結構進行求解，從而節(jié)省了大量的計算機內(nèi)存和大量的數(shù)據(jù)準備工作量及計算時間[1]。

變量的旋轉對稱性（或稱旋轉周期性）是指變量沿周向呈周期性變化，即如果一個結構存在這樣一個對稱軸：當結構繞此軸每旋轉一個角度，結構與旋轉以前完全相同（這里所說的完全相同包括材料常數(shù)?、ρ、E等）[2]。這種結構稱為回轉循環(huán)對稱結構（簡稱循環(huán)對稱結構）。符合這一條件的最小α角，稱為回轉周期。令，N必為一個整數(shù)，稱為循環(huán)對稱的階數(shù)。

1.3有限元計算模型

根據(jù)上述方法，本文對帶新型葉根前緣結構離心葉輪進行強度計算，并與傳統(tǒng)葉根前緣的離心葉輪的強度分析結果進行對比，找出葉根前緣結構對離心葉輪強度的影響。

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，詳細材料性能數(shù)據(jù)見材料數(shù)據(jù)手冊。

1.3.2計算工況

因本文主要研究的是葉根前緣結構對離心葉輪強度的影響，而離心葉輪的受載情況主要由其所受的離心載荷決定，因此在進行有限元計算時，只考慮離心葉輪受到的離心載荷。計算轉速取應急狀態(tài)轉速。

1.3.3有限元模型

本次計算時未考慮花鍵、動平衡配重凸臺，簡化后的離心葉輪共包括N對大、小葉片，其結構和載荷均具備循環(huán)對稱性，故采用循環(huán)對稱模型進行分析。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)對稱段作為計算模型，采用十節(jié)點四面體單元進行網(wǎng)格劃分，共包括440558個單元，615873個節(jié)點，大小葉片葉根前緣處對網(wǎng)格進行了局部細化。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)點的軸向位移，約束花鍵所在面上所有節(jié)點的周向位移，在兩切割面上施加對稱約束。

2帶前緣結構離心葉輪的強度計算及分析對比

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

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

3帶前緣結構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構的離心葉輪大小葉片和添加了葉根羽狀前緣結構的大小葉片進行模態(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。

通過計算結果對比可知，這種葉根前緣結構對大、小葉片固有頻率及各階振型幾乎無影響。

4結論

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

（1）當離心葉輪葉片葉根前緣沒有大應力點時，采用這種葉根前緣結構不會改變離心葉輪的應力分布，對葉片葉根前緣的應力影響不大。

（2）當離心葉輪葉片葉根前緣出現(xiàn)大應力點時，采用這種葉根前緣結構不會改變離心葉輪的應力分布，而且可以有效地降低葉片葉根前緣的當量應力，從而提高葉片使用壽命和發(fā)動機的可靠性。

（3）葉根前緣結構對大、小葉片固有頻率及各階振型幾乎無影響。

參考文獻

[1] 趙曉平.Q/8SFGF20.1009-2004，航空燃氣渦輪發(fā)動機輪盤靜強度設計規(guī)范[Z].第六〇八研究所，2004.

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

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