空心可調(diào)葉片結(jié)構(gòu)分析

鄭糧椿

摘 要：可調(diào)葉片技術(shù)使航空發(fā)動機有更寬的工作范圍以及更高的效率，隨著對航空發(fā)動機及其壓氣機性能增長的迫切需求，可調(diào)葉片技術(shù)將在高負荷、高流動馬赫數(shù)、寬調(diào)節(jié)范圍、低流動損失4項指標上進一步提高。本文研究對象為某風扇進口導葉，為了減輕葉片重量，將葉片設(shè)計成空心結(jié)構(gòu)和空心帶筋結(jié)構(gòu)，并對三種葉片進行有限元計算，對比了空心結(jié)構(gòu)與實心結(jié)構(gòu)在靜強度和模態(tài)計算結(jié)果，表明：3種葉片靜強度均滿足要求，空心加筋將結(jié)構(gòu)振動特性較好，且重量減少0.14KG。

關(guān)鍵詞：空心可調(diào)導葉;結(jié)構(gòu)設(shè)計;有限元;航空發(fā)動機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.020

1 引言

壓氣機是燃氣渦輪發(fā)動機的一個重要組成部件，其作用是吸入空氣，通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片對氣體做功，提高氣體壓力。在第一級動葉前，還有一排進口導流葉片（inlet guide vane），為了使壓氣機有更寬的工作范圍和較高的氣動效率，進口導流葉片通常采用可變角度設(shè)計。

航空發(fā)動機對可調(diào)葉片的性能要求較為苛刻。流速高、負荷重是主要因素，同級間放氣、機匣處理、多轉(zhuǎn)子技術(shù)等技術(shù)協(xié)同調(diào)節(jié)發(fā)動機工作狀態(tài)，擴寬穩(wěn)定工作范圍。可調(diào)葉片技術(shù)的調(diào)節(jié)效果顯著，可使壓氣機在各流量下均能獲得更高的氣動效率，而且實現(xiàn)方式相對簡單，被認為是一種理想的調(diào)節(jié)技術(shù)，在發(fā)動機中得到廣泛應(yīng)用。

本文針對某風扇進口可調(diào)導葉進行結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，將葉片設(shè)計成空心不帶筋和空心帶筋結(jié)構(gòu)，通過有限元計算，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對強度和振動特性的影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

初始實心葉片材料為TC4，密度4.44g/cm?，質(zhì)量0.45KG，將葉片分為上軸頸、葉身和球頭三個部分。通過UG軟件，參數(shù)化建模完成空心葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要設(shè)計參數(shù)是空腔邊界位置、壁厚和加強筋位置，三種葉片模型如圖1。

3 有限元計算

采用ANSYS Workbench軟件進行前處理、計算和后處理，采用帶中節(jié)點的四面體單元劃分網(wǎng)格。計算邊界條件：在上軸頸與搖臂配合面上施加固支約束，上軸頸與襯套配合圓柱面施加柱面法向位移約束，在球頭位置直徑最大處施加法相位移約束。同時在葉片上施加溫度場，表面施加氣動力，模擬真實工作狀態(tài)。

4 計算結(jié)果對比與分析

計算得出三種葉片靜強度最大等效應(yīng)力位置均在軸頸根部倒圓位置處，分別為272.94MPa、243MPa、253MPa，最大應(yīng)力點處溫度為15℃，該溫度下拉伸強度為899MPa，靜強度滿足要求。由于該導葉是在風扇進口處，主要承受氣動力和振動力，負荷較小，靜強度問題不突出，主要還是振動問題。

對比3種結(jié)構(gòu)葉片頻率如圖2，模態(tài)分析表明，空心葉片與空心加筋葉片的前6階頻率基本相當，接近實心結(jié)構(gòu)葉片。空心加筋與實心葉片6至12階頻率基本相同，而完全空心結(jié)構(gòu)葉片頻率偏低，且階數(shù)越高與另兩種葉片相差越大。

以空心加筋葉片為對象，計算不同壁厚條件下的頻率得出，壁厚1.5和1.8的葉片頻率基本一致壁厚為1的葉片在低階次時，與另兩種葉片頻率基本相同，高階次時，頻率略低于另兩種葉片，階次越高頻率相差越大。

實心葉片（左）和空心加筋葉片（右）的共振圖如圖2，激勵K=1，2，19，實心葉片存在6個可能出現(xiàn)共振的點，其中激振階次為19，振動階次為5的點頻率裕度最小為2.86。在進行空心葉片設(shè)計后，采用空心加筋結(jié)構(gòu)后，存在2個可能出現(xiàn)共振的點，避開了實心葉片最小裕度點，振動特性優(yōu)于實心結(jié)構(gòu)。最終的空心葉片質(zhì)量為0.31KG，減重0.14KG，空心率為31%。

5 結(jié)論

（1）3種葉片，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在上端軸頸根部倒圓處，且靜強度儲備足夠高，靜強度滿足要求。

（2）實心葉片和空心加筋葉片，前12階動頻基本相同，且都高于空心葉片。壁厚的變化主要影響高階振動頻率，對低階振動頻率影響不大。

（3）實心葉片在工作時存在6個可能出現(xiàn)共振的點，在采用空心加筋結(jié)構(gòu)后，共振點減少為2個，空心加筋結(jié)構(gòu)葉片振動特性優(yōu)于實心葉片。且葉片質(zhì)量減小0.14KG，空心率為31%。

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