空心可调叶片结构分析

郑粮椿

摘 要：可调叶片技术使航空发动机有更宽的工作范围以及更高的效率，随着对航空发动机及其压气机性能增长的迫切需求，可调叶片技术将在高负荷、高流动马赫数、宽调节范围、低流动损失4项指标上进一步提高。本文研究对象为某风扇进口导叶，为了减轻叶片重量，将叶片设计成空心结构和空心带筋结构，并对三种叶片进行有限元计算，对比了空心结构与实心结构在静强度和模态计算结果，表明：3种叶片静强度均满足要求，空心加筋将结构振动特性较好，且重量减少0.14KG。

关键词：空心可调导叶;结构设计;有限元;航空发动机

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

1 引言

压气机是燃气涡轮发动机的一个重要组成部件，其作用是吸入空气，通过高速旋转的叶片对气体做功，提高气体压力。在第一级动叶前，还有一排进口导流叶片（inlet guide vane），为了使压气机有更宽的工作范围和较高的气动效率，进口导流叶片通常采用可变角度设计。

航空发动机对可调叶片的性能要求较为苛刻。流速高、负荷重是主要因素，同级间放气、机匣处理、多转子技术等技术协同调节发动机工作状态，扩宽稳定工作范围。可调叶片技术的调节效果显著，可使压气机在各流量下均能获得更高的气动效率，而且实现方式相对简单，被认为是一种理想的调节技术，在发动机中得到广泛应用。

本文针对某风扇进口可调导叶进行结构设计分析，将叶片设计成空心不带筋和空心带筋结构，通过有限元计算，分析了结构参数的变化对强度和振动特性的影响。

2 结构设计

初始实心叶片材料为TC4，密度4.44g/cm?，质量0.45KG，将叶片分为上轴颈、叶身和球头三个部分。通过UG软件，参数化建模完成空心叶片的结构设计，主要设计参数是空腔边界位置、壁厚和加强筋位置，三种叶片模型如图1。

3 有限元计算

采用ANSYS Workbench软件进行前处理、计算和后处理，采用带中节点的四面体单元划分网格。计算边界条件：在上轴颈与摇臂配合面上施加固支约束，上轴颈与衬套配合圆柱面施加柱面法向位移约束，在球头位置直径最大处施加法相位移约束。同时在叶片上施加温度场，表面施加气动力，模擬真实工作状态。

4 计算结果对比与分析

计算得出三种叶片静强度最大等效应力位置均在轴颈根部倒圆位置处，分别为272.94MPa、243MPa、253MPa，最大应力点处温度为15℃，该温度下拉伸强度为899MPa，静强度满足要求。由于该导叶是在风扇进口处，主要承受气动力和振动力，负荷较小，静强度问题不突出，主要还是振动问题。

对比3种结构叶片频率如图2，模态分析表明，空心叶片与空心加筋叶片的前6阶频率基本相当，接近实心结构叶片。空心加筋与实心叶片6至12阶频率基本相同，而完全空心结构叶片频率偏低，且阶数越高与另两种叶片相差越大。

以空心加筋叶片为对象，计算不同壁厚条件下的频率得出，壁厚1.5和1.8的叶片频率基本一致壁厚为1的叶片在低阶次时，与另两种叶片频率基本相同，高阶次时，频率略低于另两种叶片，阶次越高频率相差越大。

实心叶片（左）和空心加筋叶片（右）的共振图如图2，激励K=1，2，19，实心叶片存在6个可能出现共振的点，其中激振阶次为19，振动阶次为5的点频率裕度最小为2.86。在进行空心叶片设计后，采用空心加筋结构后，存在2个可能出现共振的点，避开了实心叶片最小裕度点，振动特性优于实心结构。最终的空心叶片质量为0.31KG，减重0.14KG，空心率为31%。

5 结论

（1）3种叶片，最大等效应力均出现在上端轴颈根部倒圆处，且静强度储备足够高，静强度满足要求。

（2）实心叶片和空心加筋叶片，前12阶动频基本相同，且都高于空心叶片。壁厚的变化主要影响高阶振动频率，对低阶振动频率影响不大。

（3）实心叶片在工作时存在6个可能出现共振的点，在采用空心加筋结构后，共振点减少为2个，空心加筋结构叶片振动特性优于实心叶片。且叶片质量减小0.14KG，空心率为31%。

参考文献：

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[3]张亮，王炳栋，李文刚等.燃气轮机压气机可调进口导叶技术浅析[J].化肥设计，2011，49（06）：21-22.