2/3層板結構空心風扇葉片設計與對比分析

紀福森，丁 拳，李惠蓮

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

寬弦葉片具有增加發動機壓氣機喘振裕度、抗外物損傷、提高發動機推力、減少葉片數等優點。但是寬弦風扇葉片離心負荷增加，在滿足可靠性要求的情況下，輪盤質量大幅增加，為此，RR、PW等航空發動機公司，大力發展空心結構寬弦風扇葉片設計技術，并成功應用于RB211-535E4、遄達800、PW4084等發動機上。針對該技術，國內研究機構對3層板結構空心葉片進行了大量研究，郝勇等以某空心葉片為對象開展了結構設計，強度、振動特性分析，制造工藝以及疲勞試驗等研究[1]。剛鐵研究了加強筋數量、夾角、形狀，葉片蒙皮與加強筋厚度比等結構設計參數，并進行了強度、振動特性及顫振分析[2]。于洋研究了加強筋數量、加強筋與蒙皮厚度比、擴散連接區域與非擴散連接區域長度比、空心率對空心葉片強度的影響[3]。楊劍秋等定義和描述了空心風扇葉片幾何特征的結構設計參數，并基于正交試驗設計方法進行了結構優化設計分析[4]。王營等研究了寬弦空心風扇葉片流固耦合作用下的葉片響應、疲勞[5-6]。李冰等通過3維有限元模型研究了分析扭轉速率、熱成形模具下落速度、超塑成形目標應變速率、板材與模具之間的摩擦系數、芯板和面板的厚度比等參數對成形力的影響規律[7]。

本文將進一步分析3層板空心葉片結構設計，并研究2層板空心葉片結構設計方法。

1 結構設計參數分析

根據使用要求，空心葉片可以設計成不同的空腔結構，但是空腔結構越復雜，制造成型越困難，工藝穩定性越差，可靠性越難保證。國外在工程應用的3種典型空心葉片如圖1所示，在給定的氣動外型下，空心葉片設計的關鍵是空腔設計與加強筋設計。空腔設計需考慮葉根實心區高度、葉尖實心區高度、空腔區葉盆葉背厚度。對于帶珩架芯（3層板結構）、無芯（2層板結構）空心葉片，因空心拓撲結構不同，對于加強筋設計略有差異，3層板結構設計需考慮加強筋數量、分布形式、擴散連接長度、加強芯板厚度，2層板結構設計需考慮加強筋數量、分布形式、形狀、擴散連接長度。其中，加強筋的分布形式既要考慮沿弦向分布，又要考慮沿徑向分布，設計難度較大。

圖1 國外工程應用的3種典型空心葉片結構

2 某風扇葉片空心結構設計

基于氣動數據源進行空心葉片結構設計，即空腔的設計（葉盆、葉背厚度確定）和加強筋的分布均根據氣動葉型數據確定。

2.1 空腔設計

空心葉片葉盆、葉背沿葉高一般采用變厚度設計。首先，通過預計減質效果，初步確定空腔區根、尖部葉盆、葉背厚度以獲得空腔區根尖部型面數據，如圖2（a）所示；然后，再通過線性差值獲得不同高度的空腔區截面數據，為保證空腔區沿徑向分布光順，如圖2（b）所示，適當調整個別截面數據。對與葉尖、葉根實心區高度，一般保證空腔區高度占整個葉高的2/3，另空實心交界遠離葉片一彎振動節線[1-4]，由此可知，空腔設計的核心是空腔區各截面葉盆和葉背厚度設計。值得說明的一點是，2/3層板空心葉片成型工藝不同，空腔截面前、后端處理方法也不同，3層板前后端保持尖邊即可，而2層板前后端需處理為圓弧轉接。

圖2 空腔結構設計

2.2 2/3層板空心葉片加強筋設計

為了保證對2/3層板空心葉片的對比分析，本文設計的2種結構空心葉片，其空腔結構完全相同，在加強筋設計時保證2種空心葉片質量相當，空腔設計參數參見表1，某葉高截面空腔結構如圖3所示。

表1 2/3層板結構空心葉片加強筋設計參數對比

圖3 2/3層板結構加強筋分布

3 有限元分析與對比

空心葉片結構復雜，一般3維結構設計困難，有限元前處理浪費時間，導致整個產品設計周期較長，對結構方案的改進與優化不利，本文采用UG軟件及其有限元仿真模塊（NX Nastran）可實現空心葉片結構和強度的一體化設計。

2種結構空心葉片分別進行了離心載荷和模擬彎矩載荷作用下的靜強度分析和模態分析。

提取積疊軸附近位置離心載荷作用下葉盆、葉背靜強度計算結果如圖4所示。從圖中可見，2/3層板結構空心葉片葉盆、葉背等效應力沿葉身徑向分布規律相同，與實心結構葉片、完全空腔結構空心葉片略有差異；從量值上看，2層板結構空心葉片略低于3層板結構空心葉片。由離心載荷作用下的靜強度分析結果看，2種結構空心葉片均滿足設計要求。

在葉盆側施加0.05 MPa的壓力載荷，用于模擬葉片氣動彎矩載荷。實心葉片、2/3層板結構空心葉片和完全空腔結構空心葉片的最大變形如圖5所示。由計算結果可知，實心結構抗氣動彎矩載荷能力優于空心結構葉片，3層板結構空心葉片抗氣動彎矩載荷能力強于2層板結構空心葉片。

模態分析表明，2/3層板空心葉片前10階振動頻率相當，接近實心結構葉片，而完全空腔結構葉片各階振動頻率數值偏小；2/3層板空心葉片前10階振型相同、幅值略有差異，如圖6所示。進一步振型對比，發現2/3層板結構空心葉片振型除第6、7階振型外與實心結構葉片相同，完全空腔結構空心葉片第6～10階振型與實心結構葉片、2/3層板結構空心葉片均不同。

圖6 振動頻率、最大幅值對比

4 結論

（1）依據氣動數據進行了2/3層板空心葉片結構設計，通過對空心葉片結構特點分析，進一步簡化結構設計參數，應用UG軟件實現了空心葉片的快速結構設計與強度分析。

（2）有限元計算結果表明，在減質效果相當的情況下，2層板結構葉片在離心載荷作用下葉身等效應力略低于3層板結構空心葉片，但是模擬氣動彎矩載荷作用時，3層板結構空心葉片抗彎能力較2層板結構空心葉片略強；模態分析表明，2/3層板結構空心葉片前10階振動特性相似，更接近與實心葉片，在第6階以上振型時，3層板結構空心葉片振幅略低于2層板結構空心葉片。

（3）由離心載荷、模擬彎矩載荷和模態分析結果看，2種結構空心葉片均能滿足設計要求，但是承載能力略有不同，在結構設計，特別是彈性變形角調整時，應考慮這種差異。

（4）由于2層板結構空心葉片可設計性更好，可以通過改變加強筋的分布或增加弦向加強筋以提高承載能力改進設計。

[1]郝勇，李志強，杜發榮，等.大涵道比渦扇發動機的寬弦空心風扇葉片技術研究 [C]//中國航空學會2007年學術會議論文集.北京：中國航空學會，2007：1-6.

HAO Yong,LI Zhiqiang,DU farong,et al.Design of wide-chord hollow fan blade for a high bypass ration engine[C]//Conference of Chinese Society of Aeronautics and Astronautics in 2007.Beijing:Chinese Society of Aeronautics and Astronautics,2007:1-6.（in Chinese）

[2]剛鐵.寬弦空心風扇葉片結構設計及強度分析研究[D].南京：南京航空航天大學，2005：1-62.

GANG Tie.Research on structural design and stress analysis of hollow fan blade[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronatics,2005:1-62.（in Chinese）

[3]于洋.寬弦空心風扇轉子葉片葉身結構設計參數研究[D].沈陽：沈陽發動機設計研究所，2008：1-100.

YU Yang.Study on structure design parameters of wide chord hollow fan blade[D].Shenyang:Shenyang Engine Design and Research Institute，2008：1-100.（in Chinese）

[4]楊劍秋，王延榮.基于正交試驗設計的空心葉片結構優化設計 [J].航空動力學報，2011，26（2）：336-384.

YANG Jianqiu,WANG Yanrong.structural optimization of hollow fan blade based on orthogonal experimental design[J].Journal of Aerospace Power,2011，26 （2）：336-384.（in Chinese）

[5]王營，陶智，杜發榮，等.寬弦空心風扇葉片流固耦合作用下的葉片響應分析 [J].航空動力學報，2008，23（12）：2177-2183.

WANG Ying,TAO Zhi,DU Farong，et al.Response analysis of fluid and solid coupling characteristics for a wide-chord hollow fan blade[J].Journal of Aerospace Power,2008,23（12）：2177-2183.（in Chinese）

[6]王營，陶智，杜發榮，等.寬弦空心風扇葉片流固耦合作用下的疲勞分析[J].系統仿真學報，2009，21（19）：6009-6012.

WANG Ying,TAO Zhi,DU Farong，et al.Fatigue life of fluid structure coupling characteristics for wide-chord hollow fan blade[J].Journal of System Simulation，2009，21（19）：6009-6012.（in Chinese）

[7]Zhao B，Li Z Q，Hou H L，et al.Three dimensional FEM simulation of Titanium holllow blade forming process[J].Rare MetalMaterials And Engineering，2010，39（6）：963-968.

[8]Moffat T J，Cleghorn W L.Prediction of bird impact pressure and damage using MSC/DYTRAN[J].ASME TURBOEXPO，2001（6）：4-7.

[9]楊雯，杜發榮，郝勇.寬弦空心風扇葉片動力響應特性研究[J].航空動力學報，2007，22（3）：444-449.

YANGWen,DU Farong,HAO Yong.Investigation of dynamic response property ofwide-chord hollow fan blade[J].Journal of Aerospace Power,2007,22（3）：444-449.（in Chinese）

[10]徐先懂，宋述穩.SPF/DB在空心葉片制造中的應用[J].金屬成形工藝，2002，20（6）：49-56.

XU Xiandong,SONG Shuwen.Application of SPF/DB in the fabrication of the hollow blade[J].Metal Forming Technology,2002,20（6）：49-56.（in Chinese）