寬弦空心風扇轉子葉片葉身結構設計參數分析

于 洋，張 力，戰 鵬，郝燕平

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

寬弦空心風扇轉子葉片葉身結構設計參數分析

于 洋，張 力，戰 鵬，郝燕平

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

對空心葉片模型型腔和加強筋結構設計參數進行了分析；考慮到制造工藝可行性，采用ANSYS有限元軟件對空心葉片模型進行了建模及應力分析。分析結果表明，加強筋數量增加，或加強筋與蒙皮厚度比增大，或加強筋擴散連接區域與非連接區域長度比增大，對蒙皮最大應力值影響不大，但對加強筋最大應力值影響較大。

空心風扇葉片；超塑成形/擴散焊（SPF/DB）；FEA；航空發動機

1 引言

高推重比渦扇發動機設計的主要任務是綜合考慮氣動、質量、振動、噪聲、結構完整性和可靠性以及制造成本等因素，擇優選擇設計方案，以最小的質量達到推力指標要求。寬弦空心風扇轉子葉片的結構設計就是滿足了這些要求的典型設計范例。

從國內外研究現狀可以看出，國外在寬弦空心風扇葉片方面的研究起步早，并且在結構設計、制造和相關分析方面的水平很高，在研、在役及預研渦扇發動機均使用了寬弦空心風扇葉片；國內則在總體水平上落后于國外。

本文對寬弦空心風扇葉片葉身的結構設計方法、強度分析方法進行研究。

2 SPF/DB寬弦空心風扇轉子葉片結構與工藝特點

2.1 結構特點

寬弦空心風扇轉子葉片取消了凸肩，增加了弦的寬度。與實心風扇轉子葉片相比，葉柵通道面積加大，喘振裕度、級效率提高。SPF/DB寬弦空心風扇轉子葉片的葉身由3或4層鈦合金板通過SPF/DB連接在一起；芯部是桁架式空心的結構，外側是2塊厚壁蒙皮，蒙皮的厚度從根部沿葉高遞減。

空心結構處在葉片的上部，約占葉片的2/3，使風扇轉子葉片的質量降低（如圖1所示），離心力減小。葉片的進氣邊和排氣邊為實心結構。通過進行詳細的有限元分析評估，包括對所有可能的備選結構進行參數分析，設計了不同結構的空心風扇葉片，如圖2所示。而寬弦空心風扇轉子葉片內部加強筋的位置、數量、夾角，以及葉片面板與芯板的厚度比例，是SPF/DB寬弦葉片設計與制造能否成功的關鍵之一。

2.2 工藝特點

SPF/DB工藝方法分為2板法、3板法和4板法。加工過程中的控制參數主要有溫度、壓力、時間壓力-時間的關系以及表面條件等。SPF/DB空心葉片的生產過程如圖3所示，用3板法加工的樣件如圖4所示。

本文選用SPF/DB結構形式作為進一步研究的對象，并且選擇3層板式結構。

3 空心葉片結構設計參數強度

3.1 計算模型及載荷

對于空心葉片，在設計上，除了葉片氣動外形和葉片結構強度須滿足設計條件外，葉片內部空腔的大小、形式以及空腔內部加強芯板的結構形式也須如此，因為都對葉片結構強度、振動以及葉片/輪盤榫聯結構有較大影響。

選取3層板SPF/DB的形式作為空心葉片基本結構形式，確定了空心葉片結構優化設計時需要的基本結構特征參數：空心葉片蒙皮厚度；空心葉片內部加強筋厚度；空心葉片內部加強芯板數量；空心葉片內部加強芯板擴散連接長度。依據這幾個基本結構特征參數就可以確定空心葉片內部結構形式。

空心葉片在工作中受到離心力、氣動力和振動力作用，主要載荷是離心力和振動力，氣動力對空心葉片受力的影響相對較小，所以，空心葉片涉及的載荷只有離心力載荷，而不包括表面壓力、彎矩和扭矩等氣動力載荷。

以某型發動機預研空心風扇轉子葉片的尺寸為基礎，把葉型橫截面進行簡化，得到空心葉片模型。將空心風扇轉子葉片簡化為上下2面平行的平板葉片（如圖5所示），其機械結構由表面上的蒙皮和內部的加強筋構成。

在每1個模型上，蒙皮厚度都是相等的。而內部的加強筋厚度則與超塑成型/擴散連接加工工藝過程有關，在擴散連接區域，加強筋厚度與初始板材厚度相等；在超塑成形區域，加強筋厚度要比初始板材厚度略薄。具體厚度則由超塑成形時的長度變化確定。

約束條件：葉片懸臂固支（固支端蒙皮固定不動）；計算在彈性范圍內進行（如圖6所示）。

3.2 計算結果及分析

模型空心葉片的加強筋由3層板的SPF/DB形式中的中間板生成，一部分通過擴散連接與蒙皮焊接在一起，非連接區域則通過超塑成形在2層蒙皮之間形成。所形成的非連接區域的個數在本文中稱為加強筋的片數。

空心葉片模型有4～18片加強筋。考慮到在制造過程中，蒙皮與加強筋的厚度比例過小，蒙皮表面會出現凹槽變形現象，于是，在初始狀態，將葉片加強筋與葉片蒙皮厚度比設為1：1；在計算時，將葉片加強筋與葉片蒙皮厚度比提高為1：2至1：3；而在擴散連接區域和超塑成型區域，長度比分別從 1：3、1：1至 3：1。根據某型渦輪風扇發動機風扇轉子的工作狀態，將空心葉片模型的離心力載荷設為角速度1500rad/s；在這一假設下，分析離心力載荷下的結構變化對空心葉片受力的影響。

此類空心葉片的特點是壁比較薄，而且葉身很長，因此，在根部只對蒙皮施加約束，對加強筋不施加約束。

（1）加強筋數量對加強筋及蒙皮的等效應力最大值的影響。在空心葉片加強筋與蒙皮厚度比為1：3的情況下，分析在離心力載荷作用下，加強筋數目（分別選取 4、6、10、14、18）對空心葉片受力的影響（如圖7所示）。

（2）加強筋與蒙皮厚度比對加強筋及蒙皮的等效應力最大值的影響。選取空心葉片加強筋數量為18個的情況，分析在離心力載荷作用下，加強筋與蒙皮的厚度比（加強筋與蒙皮的厚度比分別選為1：9、1：3、2：3、1：1等幾種結構）對空心葉片受力的影響（如圖8所示）。

（3）加強筋擴散連接區域與非連接區域長度比對加強筋及蒙皮的等效應力最大值的影響。選取空心葉片加強筋數量為18個,空心葉片加強筋與蒙皮厚度比為2：3的情況，分析在離心力載荷作用下，加強筋擴散連接區域與非連接區域長度比（分別選取5：1、3：1、1：1、1：3、1：5）對空心葉片受力的影響（如圖9所示）。

4 結論

（1）加強筋數量增加對蒙皮最大應力值影響不大，但對加強筋最大應力值影響較大。加強筋數量開始增加時，加強筋最大應力值略有增大；當加強筋數量增加到一定值時，加強筋最大應力值會突然下降。所以，在設計空心葉片時，在考慮質量因素的同時，應該盡量增加加強筋數量。

（2）加強筋與蒙皮厚度比增大對蒙皮最大應力值影響不大，但對加強筋最大應力值影響較大。加強筋與蒙皮厚度比開始增大時，加強筋最大應力值略有增大；當加強筋數量增加到一定值時，加強筋最大應力值會突然大幅度增大。

（3）加強筋擴散連接區域與非連接區域長度比增大對蒙皮最大應力值影響不大，但對加強筋最大應力值影響較大。加強筋擴散連接區域與不連接區域長度比開始增大時，加強筋最大應力值略有減小；當加強筋擴散連接區域與非連接區域長度比增大到一定值時，加強筋最大應力值會增大；加強筋擴散連接區域與非連接區域長度相等時，易得到較小的加強筋最大應力值。

[1]Fitzgerald G A,Broughton T.The Rolls-Royce wide chord fan blade[C].The 1st International Conference of the Titanium Development Association,San Francisco,CA,Oct.1986.

[2]Edward D,Weisert.Hollow Titanium Turbofan Blades[Z].Superplasticity in aerospace:Proceedings of the Topical Symposium,Phoenix,AZ,Jan.25-28,1988（A89-1505103-26）.Warrendale,PA,Metallurgical Society,Inc.,1988:315-330.

[3]Xun Y W,Tan M J.Applications of superplastic forming and diffusion bonding to hollow engine blade.Journal of Materials Processing Technology 99,2000:80-85.

[4]McElhone M.The hollowwide chord fan blade （WCFB）-a stiffened metallic structure.The Seminar on Designing High-Performance Stiffened Structures,London,UK,June 29,1999:45-57.

[5]白秉哲,張卓民,鄭衛東,等.美國超塑成形技術及應用［J］.航天技術與民品,1999（1）.

[6]侯冠群,尚波生.寬弦空心風扇葉片技術的發展［J］.航空制造工程,2002（12）.

Analysis of Design Parameters of Wide Chord Hollow Fan Blade Structure

YU Yang，ZHANG Li,ZHAN Peng,HAO Yan-ping
（Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang110015,China）

The design parameters of chamber and stiffener of hollow blade model were analyzed.Considering the feasibility of manufacturing process,the simulation and stress analysis of the hollow blade model were performed by the ANSYS software.The result shows that the influence on the maximum skin stress is less and the influence on the maximum stiffener stress is larger with increasing stiffener quantity or thickness ratio of stiffener and skin or length ratio of diffusion bonding area and non-diffusion bonding area.

hollow fan blade;SPF/DB;FEA;aeroengine

于洋（1976），男，碩士，工程師，從事航空發動機壓氣機結構設計工作。