某結構空心風扇葉片設計與分析

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）

某結構空心風扇葉片設計與分析

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）

針對寬弦空心風扇葉片技術在大涵道比航空發動機設計中的應用研究，以某型寬弦風扇葉片為對象，探索了無芯結構空心風扇葉片結構設計和快速強度分析方法。定義了無芯結構空心葉片的幾何特征參數，提出了1種基于N XN astran快速強度分析方法，重點分析了加強筋數量、寬度對空心葉片強度和剛度的影響，并分析了制造偏差對結構設計的影響。結果表明：無芯結構寬弦空心風扇葉片設計方法可以實現無芯結構空心葉片結構設計和快速強度分析。

空心風扇葉片；結構設計；有限元分析；航空發動機

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、提高發動機推力和減少葉片數等優點，已在發動機上得到應用。但是，寬弦風扇葉片離心負荷增加，在滿足可靠性要求的同時，輪盤質量大幅增加，若不采取減質設計技術，寬弦風扇葉片將很難應用于大涵道比發動機。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，先后開發了蜂窩結構、帶珩架芯結構和無芯結構空心風扇葉片，蜂窩結構因減質效果與承載能力受限，已被帶珩架芯和無芯結構空心風扇葉片所取代。國內研究人員對帶珩架芯結構空心葉片進行了相關研究[1-3]。

本文以某型風扇葉片為例開展無芯結構空心葉片結構強度設計方法研究。

1 無芯結構空心葉片結構設計參數定義

無芯結構空心葉片結構參數如圖1所示。

圖1 空腔截面與空心結構參數

（1）空腔區葉盆、葉背板材厚度H1、H2，不同截面高度葉盆、葉背板材厚度不同，該結構參數決定了空腔大小，同時也決定了結構減質效果。

（2）加強筋數量N，該參數決定空心葉片的承載能力及抗外物損傷能力，需綜合考慮弦長和制造工藝后確定。

（3）加強筋寬度W1、W2、……Wn，每個截面或者同一截面該數值均可不同，其與N值相互作用。

（4）各加強筋與葉盆、葉背夾角，本文令每個截面并且同一截面各加強筋與葉盆、葉背夾角為90°。

（5）空腔頂部距葉尖距離L1，該參數受葉尖最大厚度以及葉盆、葉背板材厚度影響。

（6）空腔底部距葉根距離L2，設計要求空腔底部應遠離葉片一彎振動節線。

（7）各特征部位轉接圓角R，該值在結構允許的情況盡量給大。

2 無芯結構空心葉片設計分析

空心葉片設計是氣動、結構、強度、制造工藝一體化的設計。在給定氣動葉型的基礎上，如何快速進行空心葉片結構3維設計，并進行結構有限元強度評估一直是困擾空心葉片結構設計的難題，本文以UG3維軟件及其高級仿真模塊為工具，確定了無芯結構空心葉片結構設計方法和強度分析方法，設計流程如圖2所示，設計模型如圖3所示。

圖2 無芯結構空心葉片設計流程

圖3 某無芯結構空心風扇葉片設計模型

2.1 空腔設計

空腔設計參照實心葉片設計準則進行，結構設計階段重點考慮滿足強度和變形的要求，同時兼顧空腔結構沿葉高方向線性分布。本文風扇葉片高度為298 mm，葉根實心區高度給定為55 mm，葉尖區實心腔高度給定為0 mm，空腔區共有18個截面，令H1=H2，共18組數據。風扇葉片材料為TC4，僅考慮離心載荷作用，計算結果見表1。計算結果表明：空腔結構質量、離心負荷減小，葉片承載能力變差，最大等效應力大幅增加，需要詳細設計內腔加強筋結構。

表1 空、實心葉片設計結果對比

2.2 加腔筋數量的確定

加強筋設計是為了提高空心葉片承載能力及抗外物損傷能力。在設計時需綜合考慮減質效果、強度、剛度與工藝可行性等因素。因加，加強筋數量的確定約束多、難度大，本文僅對其數量為6和2的2種情況進行對比分析。在加強筋寬度一定的條件下，從靜強度計算結果可知，對于某一無芯結構空心葉片加強筋的數量存在最優值，見表2，并如圖4、5所示；從振動特性分析可知，空腔結構葉片及強筋數量為2的空心葉片振動特性與實心結構不對應，如圖6所示。

表2 不同加強筋數量設計結果對比

圖4 不同加強筋數量最大等效應力

圖5 不同加強筋數量最大徑向變形

圖6 不同加強筋數量振動頻率

2.3 加腔筋寬度的確定

在加強筋數量確定的情況下，結構設計上還需要考慮加強筋寬度對空心葉片強度的影響，本文假定每個截面并且同一截面各加強筋寬度均相同，進一步分析了不同加強筋寬度對空心葉片強度、振動特性的影響。結果表明，在加強筋數量一定時，加強筋寬度對空心葉片靜強度有一定影響，但是對振動特性基本無影響，見表3，并如圖7～9所示，若考慮結構減質效果與制造可行性等因素，加強筋寬度應適當選小。

表3 不同加強筋寬度設計結果對比

圖7 不同加強筋寬度最大等效應力

圖8 不同加強筋寬度最大徑向變形

圖9 不同加強筋寬度振動頻率

3 制造偏差對設計結果的影響分析

無芯空心風扇葉片的主要工藝：首先為數控加工鈦合金帶筋厚板；然后采用擴散連接工藝連接；再應用超塑成型工藝成型葉片；最后數控加工出葉根與葉型。經對工藝分析，判斷空心葉片成型過程中可能存在如下缺陷：（1）葉盆、葉背板材厚度、加強筋寬度局部超差；（2）加強筋擴散連接不可靠或局布脫開、加強筋沿弦向錯移；（3）超塑成型過程造成葉型波紋度及扭轉偏差；（4）數控加工型面及葉根尺寸超差。

數控加工葉盆、葉背板材厚度為工藝控制尺寸，只要能保證最終葉盆、葉背型面厚度即可，分析可知：加強筋寬度對無芯結構空心葉片強度影響有限；加強筋擴散連接不可靠或局布脫開將導致空心葉片局部剛度下降，抗外物損傷能力降低，因此，必須嚴格控制擴散連接缺陷產生的區域，加強筋沿弦向錯移，其結果相當于加強筋寬度變小；超塑成型過程造成的葉型波紋度、扭轉偏差以及數控加工型面、葉根尺寸超差可參照實心葉片處理。由此可見，擴散連接與超塑成型是空心葉片制造過程中非常關鍵的工續，其工藝參數直接決定空心葉片產品質量。另外，結構設計還需考慮超塑成型工藝可能導致的材料力學性能的降低。

4 結論

（1）無芯結構空心葉片結構設計采用基于UG的結構、強度、振動特性一體化設計方法可以用于無芯結構空心風扇葉片結構方案優選設計，并能提高設計效率，但是后續需要進行復雜載荷作用下的詳細分析與抗外物損傷能力分析。

（2）葉盆、葉背厚度尺寸決定了空心葉片的減質效果，也決定了空心葉片的承載能力，是空心葉片設計的第一步，也是至關重要的一步；加強筋主要用于提高空心葉片的剛度，對于某一具體葉片設計上存在最優的加強筋數量，加強筋數量確定時，其寬度對空心葉片強度影響有限。

（3）無芯結構空心葉片制造工藝復雜，技術難度大，產品質量主要由擴散連接和超塑成型工藝決定。

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Design and Analysis of Hollow Fan Blade Structure

JI Fu-sen，DING Quan，LI Hui-lian
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015,China）

Aiming at the application of the design technique of wide chord fan blade on high bypass ratio aeroengine,taking a fan blade as example,the structure design method of hollow fan blade with rib was explored.The influence of the number and the wide of rib on the strength and stiffness of hollow blade were analyzed emphasizely and the influence of the production inaccuracy on the design result were analyzed.The result show that hollow fan blade with rib can be designed quickly by the design and analysis method of hollow fan.

hollow fan blade;structure design;finite element analysis;aeroengine

紀福森（1981），男，碩士，工程師，從事航空發動機風扇、壓氣機結構設計研究工作。

2012-04-23