某结构空心风扇叶片设计与分析

纪福森，丁 拳，李惠莲

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

某结构空心风扇叶片设计与分析

纪福森，丁 拳，李惠莲

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

针对宽弦空心风扇叶片技术在大涵道比航空发动机设计中的应用研究，以某型宽弦风扇叶片为对象，探索了无芯结构空心风扇叶片结构设计和快速强度分析方法。定义了无芯结构空心叶片的几何特征参数，提出了1种基于N XN astran快速强度分析方法，重点分析了加强筋数量、宽度对空心叶片强度和刚度的影响，并分析了制造偏差对结构设计的影响。结果表明：无芯结构宽弦空心风扇叶片设计方法可以实现无芯结构空心叶片结构设计和快速强度分析。

空心风扇叶片；结构设计；有限元分析；航空发动机

0 引言

宽弦叶片具有增加发动机压气机喘振裕度、抗外物损伤、提高发动机推力和减少叶片数等优点，已在发动机上得到应用。但是，宽弦风扇叶片离心负荷增加，在满足可靠性要求的同时，轮盘质量大幅增加，若不采取减质设计技术，宽弦风扇叶片将很难应用于大涵道比发动机。为此，RR、PW等航空发动机公司，大力发展空心结构宽弦风扇叶片设计技术，先后开发了蜂窝结构、带珩架芯结构和无芯结构空心风扇叶片，蜂窝结构因减质效果与承载能力受限，已被带珩架芯和无芯结构空心风扇叶片所取代。国内研究人员对带珩架芯结构空心叶片进行了相关研究[1-3]。

本文以某型风扇叶片为例开展无芯结构空心叶片结构强度设计方法研究。

1 无芯结构空心叶片结构设计参数定义

无芯结构空心叶片结构参数如图1所示。

图1 空腔截面与空心结构参数

（1）空腔区叶盆、叶背板材厚度H1、H2，不同截面高度叶盆、叶背板材厚度不同，该结构参数决定了空腔大小，同时也决定了结构减质效果。

（2）加强筋数量N，该参数决定空心叶片的承载能力及抗外物损伤能力，需综合考虑弦长和制造工艺后确定。

（3）加强筋宽度W1、W2、……Wn，每个截面或者同一截面该数值均可不同，其与N值相互作用。

（4）各加强筋与叶盆、叶背夹角，本文令每个截面并且同一截面各加强筋与叶盆、叶背夹角为90°。

（5）空腔顶部距叶尖距离L1，该参数受叶尖最大厚度以及叶盆、叶背板材厚度影响。

（6）空腔底部距叶根距离L2，设计要求空腔底部应远离叶片一弯振动节线。

（7）各特征部位转接圆角R，该值在结构允许的情况尽量给大。

2 无芯结构空心叶片设计分析

空心叶片设计是气动、结构、强度、制造工艺一体化的设计。在给定气动叶型的基础上，如何快速进行空心叶片结构3维设计，并进行结构有限元强度评估一直是困扰空心叶片结构设计的难题，本文以UG3维软件及其高级仿真模块为工具，确定了无芯结构空心叶片结构设计方法和强度分析方法，设计流程如图2所示，设计模型如图3所示。

图2 无芯结构空心叶片设计流程

图3 某无芯结构空心风扇叶片设计模型

2.1 空腔设计

空腔设计参照实心叶片设计准则进行，结构设计阶段重点考虑满足强度和变形的要求，同时兼顾空腔结构沿叶高方向线性分布。本文风扇叶片高度为298 mm，叶根实心区高度给定为55 mm，叶尖区实心腔高度给定为0 mm，空腔区共有18个截面，令H1=H2，共18组数据。风扇叶片材料为TC4，仅考虑离心载荷作用，计算结果见表1。计算结果表明：空腔结构质量、离心负荷减小，叶片承载能力变差，最大等效应力大幅增加，需要详细设计内腔加强筋结构。

表1 空、实心叶片设计结果对比

2.2 加腔筋数量的确定

加强筋设计是为了提高空心叶片承载能力及抗外物损伤能力。在设计时需综合考虑减质效果、强度、刚度与工艺可行性等因素。因加，加强筋数量的确定约束多、难度大，本文仅对其数量为6和2的2种情况进行对比分析。在加强筋宽度一定的条件下，从静强度计算结果可知，对于某一无芯结构空心叶片加强筋的数量存在最优值，见表2，并如图4、5所示；从振动特性分析可知，空腔结构叶片及强筋数量为2的空心叶片振动特性与实心结构不对应，如图6所示。

表2 不同加强筋数量设计结果对比

图4 不同加强筋数量最大等效应力

图5 不同加强筋数量最大径向变形

图6 不同加强筋数量振动频率

2.3 加腔筋宽度的确定

在加强筋数量确定的情况下，结构设计上还需要考虑加强筋宽度对空心叶片强度的影响，本文假定每个截面并且同一截面各加强筋宽度均相同，进一步分析了不同加强筋宽度对空心叶片强度、振动特性的影响。结果表明，在加强筋数量一定时，加强筋宽度对空心叶片静强度有一定影响，但是对振动特性基本无影响，见表3，并如图7～9所示，若考虑结构减质效果与制造可行性等因素，加强筋宽度应适当选小。

表3 不同加强筋宽度设计结果对比

图7 不同加强筋宽度最大等效应力

图8 不同加强筋宽度最大径向变形

图9 不同加强筋宽度振动频率

3 制造偏差对设计结果的影响分析

无芯空心风扇叶片的主要工艺：首先为数控加工钛合金带筋厚板；然后采用扩散连接工艺连接；再应用超塑成型工艺成型叶片；最后数控加工出叶根与叶型。经对工艺分析，判断空心叶片成型过程中可能存在如下缺陷：（1）叶盆、叶背板材厚度、加强筋宽度局部超差；（2）加强筋扩散连接不可靠或局布脱开、加强筋沿弦向错移；（3）超塑成型过程造成叶型波纹度及扭转偏差；（4）数控加工型面及叶根尺寸超差。

数控加工叶盆、叶背板材厚度为工艺控制尺寸，只要能保证最终叶盆、叶背型面厚度即可，分析可知：加强筋宽度对无芯结构空心叶片强度影响有限；加强筋扩散连接不可靠或局布脱开将导致空心叶片局部刚度下降，抗外物损伤能力降低，因此，必须严格控制扩散连接缺陷产生的区域，加强筋沿弦向错移，其结果相当于加强筋宽度变小；超塑成型过程造成的叶型波纹度、扭转偏差以及数控加工型面、叶根尺寸超差可参照实心叶片处理。由此可见，扩散连接与超塑成型是空心叶片制造过程中非常关键的工续，其工艺参数直接决定空心叶片产品质量。另外，结构设计还需考虑超塑成型工艺可能导致的材料力学性能的降低。

4 结论

（1）无芯结构空心叶片结构设计采用基于UG的结构、强度、振动特性一体化设计方法可以用于无芯结构空心风扇叶片结构方案优选设计，并能提高设计效率，但是后续需要进行复杂载荷作用下的详细分析与抗外物损伤能力分析。

（2）叶盆、叶背厚度尺寸决定了空心叶片的减质效果，也决定了空心叶片的承载能力，是空心叶片设计的第一步，也是至关重要的一步；加强筋主要用于提高空心叶片的刚度，对于某一具体叶片设计上存在最优的加强筋数量，加强筋数量确定时，其宽度对空心叶片强度影响有限。

（3）无芯结构空心叶片制造工艺复杂，技术难度大，产品质量主要由扩散连接和超塑成型工艺决定。

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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

纪福森（1981），男，硕士，工程师，从事航空发动机风扇、压气机结构设计研究工作。

2012-04-23