CN111156196B - 一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构及其设计方法 - Google Patents

一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空发动机风扇/压气机转子叶片结构设计领域，特别涉及一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构及其设计方法。所述叶片结构包括叶片本体和榫头；所述叶片本体内设置有中间金属板，并通过中间金属板构成叶片空腔，所述叶片本体的边缘设置有蒙皮，且所述蒙皮与所述中间金属板连接；所述榫头包括第一对榫齿面和第二对榫齿面，所述第一对榫齿面和第二对榫齿面对称设置，且所述第一对榫齿面和第二对榫齿面相对的内侧榫齿面之间设置有榫头空腔；所述叶片本体与所述榫头连接，且所述榫头空腔与所述叶片空腔连通。本发明通过去除叶片榫头、伸根段的部分材料，实现了风扇叶片的进一步减重，可提高叶片2％～5％的减重效率。

Description

一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构及其设计方法
技术领域
本发明属于航空发动机风扇/压气机转子叶片结构设计领域，特别涉及一种用于航空发动机风扇/压气机转子的叶片结构及其设计方法。
背景技术
航空喷气式发动机工作过程中，外界空气被大量吸入航空发动机中，风扇叶片、多级压气机叶片通过高速旋转，对吸入的空气做功、提高空气的压力。随后，这些高压空气进入燃烧室，与燃料混合、燃烧，获得高温燃气，推动涡轮叶片做功并产生推力。提高进入燃烧室空气的压力可以提高发动机燃油效率，减少风扇/压气机数量可以减低发动机重量，提高发动机推重比。因此，先进航空发动机的压气机均向着提高风扇/压气机级负荷的趋势发展，这意味着发动机风扇/压气机的转速(或叶尖切线速度)必须增加，由于离心载荷与转速的2次方成正比，固风扇/压气机叶片的离心载荷成几何级数增加。此外在离心载荷和气动载荷作用下形成的弯矩也显著增加，这些载荷形成的应力直接由叶片榫头承担，并将至传递到轮盘上。随着叶片级负荷的增加，传统结构形式和结构设计方法导致转子叶片榫头需要承受的应力水平超过材料性能。
降低叶身结构重量是降低转子叶片榫齿面负荷的有效途径之一。在传统实体叶片基础上，应用先进制造工艺去除叶身内部部分材料，在叶片外部形状不变的条件下使得叶片叶身内部为空心结构，降低了叶片的结构重量，常见的空腔结构形式为蒙皮和加强筋组成的复合结构，加强筋又分为H形和W形两种，这些空心结构形式的叶片在外场服役时，内部的空腔处于封闭状态，即内部空腔与外部大气之间没有联通，目的是避免工作时空气中的水分子进入叶片内部结露，使得单个叶片的结构重量发生变化，使得转动部件的不平衡力矩超限。
由于叶身重量降低，产生的离心载荷降低，理论上相应的榫头尺寸可以降低。然而，由于叶片尺寸增加，气动弯矩等效中心点距离榫齿面的距离增加，导致榫头区域承受的气动弯矩增加，需要增加榫头的周向尺寸，然而，气动弯矩产生弯曲应力，特点是弯曲应力沿着中性层反对称分布，意味着只有榫头对称面附近的材料对提高榫头区的抗气动弯矩能力作用不大，要降低榫头区域的弯曲应力需要增加叶片的周向尺寸，导致榫头重量增加。
可以看出，现有技术存在以下技术问题：(1)当前采用超塑成形/扩散连接工艺制造的空心风扇/压气机叶片，去除材料的区域仅在风扇/压气机气动外形区域，而风扇/压气机榫头、申根区仍然是实心结构，对于尺寸空心叶片而言，叶身区材料利用率达到极限状态下，叶片的空心率在45％左右。该条件下榫头、申根区重量为叶片重量的10％～25％，当前技术未能够对榫头、申根区进行空心化，制约了空心叶片空心率的进一步提高。(2)传统空心叶片成形工艺在叶片叶尖位置开了工艺孔，下部为封闭结构，为避免叶片工作过程中空气中的水残留到叶片中，需要采用专用工艺封闭叶尖工艺孔，叶片内部还必须处于真空状态避免气流振荡造成结构失效。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构，所述叶片结构包括叶片本体和榫头；
所述叶片本体内设置有中间金属板，并通过中间金属板构成叶片空腔，所述叶片本体的边缘设置有蒙皮，且所述蒙皮与所述中间金属板连接；
所述榫头包括第一对榫齿面和第二对榫齿面，所述第一对榫齿面和第二对榫齿面对称设置，且所述第一对榫齿面和第二对榫齿面相对的内侧榫齿面之间设置有榫头空腔；
所述叶片本体与所述榫头连接，且所述榫头空腔与所述叶片空腔连通。
进一步的，所述叶片本体包括三层或多层金属板。
进一步的，所述叶片本体包括第一金属板、第二金属板和中间金属板；
所述第一金属板和第二金属板相对设置，且第一金属板和第二金属板组成叶片的外形；
所述中间金属板设置在第一金属板和第二金属板之间的夹层中，且所述中间金属与第一金属板、第二金属板之间构成所述叶片空腔。
进一步的，所述中间金属板设置为横截面为W形或H形的结构，且所述中间金属板的结构沿叶片展向方向变化，贯穿所述叶片本体。
进一步的，所述榫头的截面包括但不限于燕尾形或纵树形；所述榫头的安装部为圆弧型或直型。
进一步的，所述叶片空腔和/或所述榫头空腔内设置有阻尼材料和/或传感器。
本发明还提供了一种实现上述叶片结构的设计方法，所述方法包括：
S1、利用两块外层金属板构成叶片本体的外形，并且形成满足气动要求的流道；在两块外层金属板之间设置一块或多块中间金属板，通过所述中间金属板连接叶片本体边缘处的蒙皮，使叶片结构成为一体；
S2、将中间金属板设置为横截面为W形或H形的结构，并使所述中间金属板沿着叶片展向方向变化，贯穿整个叶片本体，并在叶片本体内，与两块外层金属板之间构成气流通道；
S3、将榫头设置为截面为燕尾形或枞树形，榫头包含两对榫齿，共同承载，榫头的安装部为圆弧型或直型；所述榫头的内部设置有榫头空腔，所述榫头空腔贯穿整个榫头，且所述榫头空腔可以与所述叶片本体内的气流通道连通；
S4、计算并调整所述榫头的几何尺寸，使得榫头区域不同部位的应力合力近似相同，且应力合力的最大值小于700MPa；根据尺寸获得榫头形状；
S5、所述叶片本体成形后，采用成型刀和/或球头刀，根据步骤S4的尺寸要求加工出榫头，并使得叶片本体内部气流通道与所述榫头内部空腔联通。
进一步的，所述计算榫头的几何尺寸包括：
所述叶片本体作用在所述榫头上的气动荷载可以根据公式(1)进行计算：
M＝F*L (1)
其中，F为作用在叶身上的气动力合力，L为合力作用点到榫头的距离；
所述叶片本体作用在所述榫头上的离心载荷可以根据公式(2)进行计算：
F＝mω2r (2)
其中，m为叶身的质量，r为叶片质心距离转轴的距离，ω为叶片转速；
所述榫头区域产生的最大弯曲应力可以根据公式(3)进行计算：
σb＝M/W (3)
其中，M为气动弯矩，由公式(1)获得，W为抗弯截面参数，由榫头界面几何参数决定；
所述榫头区域产生的最大离心应力可根据公式(4)进行计算：
σc＝F/A (4)
其中，F为离心载荷，由公式(2)获得，A为榫头不同等高面的面积，与榫头的几何参数相关；
根据上述计算公式，计算所述榫头的几何尺寸。
进一步的，所述方法还包括：S6、所述叶片加工完成后，通过榫头空腔向叶片内部空腔注入阻尼材料和/或安装传感器。
本发明通过去除叶片榫头、伸根段的部分材料，实现了风扇叶片的进一步减重，可提高叶片2％～5％的减重效率；叶片的榫头包括两对榫齿面，提高了榫头部位的承载能力；消除了叶片内部的封闭空腔或半封闭空腔，消除了对空心叶片内部必须为真空状态的技术要求，简化了叶片制造难度和检测难度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的叶片结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的中间金属板截面为W形的叶片本体截面示意图；
图3示出了根据本发明实施例的中间金属板截面为H形的叶片本体截面示意图；
图4示出了根据本发明实施例的榫头的截面示意图。
图中：1叶片本体、101第一金属板、102第二金属板、103中间金属板、104叶片空腔、2榫头、201第一榫齿面、202第二榫齿面、203榫头第一空腔、204榫头第二空腔、205榫头第三空腔、206榫头第四空腔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了航空发动机风扇/压气机转子叶片结构，示例性的，如图1所示，所述叶片结构包括叶片本体1和榫头2。具体的，所述叶片本体1包括三层或多层金属板。其中，最外侧两层金属板组成叶片的外形，形成满足气动要求的流道；中间一层金属板用于连接叶片本体1边缘的蒙皮，使得叶片本体1的结构成为一体，提高结构整体刚性。
示例性的，如图2和3所示，所述叶片本体1包括第一金属板101、第二金属板102和中间金属板103。所述第一金属板101和第二金属板102相对设置，且第一金属板101和第二金属板102组成叶片的外形。所述中间金属板103设置在第一金属板101和第二金属板102之间的夹层中，且所述中间金属板103与第一金属板101、第二金属板102之间构成叶片空腔104。
具体的，所述中间金属板103起到加强筋的作用，所述中间金属板103可以设置为横截面为W形或H形的结构，且所述中间金属板103的结构沿叶片展向方向变化，贯穿整个叶片本体1。在叶片本体1内形成W形或H形加强筋的同时，形成气流通道，即叶片空腔104。通过中间金属板103在叶片本体1中设置叶片空腔104，消除了风扇叶片内部的封闭空腔或半封闭空腔，消除了对空心叶片内部必须为真空状态的技术要求，简化了叶片制造难度和检测难度。
进一步的，所述榫头2截面包括但不限于燕尾形或纵树形，所述榫头2的安装部为圆弧型或直型。
示例性的，如图4所示，所述榫头2包括第一对榫齿面201和第二对榫齿面202，所述第一对榫齿面201和第二对榫齿面202对称设置，且所述第一对榫齿面201和第二对榫齿面202相对的内侧榫齿面之间设置有榫头空腔。具体的，所述榫头空腔包括榫头第一空腔203、榫头第二空腔204、榫头第三空腔205和榫头第四空腔206。所述第一空腔203、榫头第二空腔204、榫头第三空腔205和榫头第四空腔206依次设置，且相互连通。所述榫头空腔贯穿榫头2，即所述榫头空腔与叶片空腔104连通。通过对去除叶片榫头、伸根段的部分材料，实现了风扇叶片的进一步减重，可提高叶片2％～5％的减重效率。
本发明提出的叶片的榫头包括两对榫齿面，提高了榫头部位的承载能力。由于增加了两对榫齿面，使得每个榫齿面的承载需求降低到了原承载需要的一半，降低了榫齿面破坏的风险；所述榫头的结构形式提高了榫齿面的安全性，在一个榫齿面存在损伤情况下仍能够有效承载。
优选的，可在所述叶片空腔104内设置阻尼材料和/或各类传感器，实现叶片的功能化。
本发明还提出了上述航空发动机风扇叶片结构的设计方法，示例性的，所述设计方法包括：
1、利用两块外层金属板构成叶片本体的外形，并且形成满足气动要求的流道；在两块外层金属板之间设置一块或多块中间金属板，通过所述中间金属板连接叶片本体边缘处的蒙皮，使叶片结构成为一体，所述中间金属板起到了加强筋的作用，提高结构整体刚性。
2、将中间金属板设置为横截面为W形或H形的结构，并使所述中间金属板沿着叶片展向方向变化，贯穿整个叶片本体，并在叶片本体内，与两块外层金属板之间构成气流通道。
3、将榫头设置为截面为燕尾形或枞树形，榫头包含两对榫齿，共同承载，榫头的安装部为圆弧型或直型；所述榫头的内部设置有榫头空腔，所述榫头空腔贯穿整个榫头，且所述榫头空腔可以与所述叶片本体内的气流通道连通。
4、所述叶片本体作用在所述榫头上的气动荷载可以根据公式(1)进行计算：
M＝F*L (1)
其中，F为作用在叶身上的气动力合力，L为合力作用点到榫头的距离；
所述叶片作用在所述榫头上的离心载荷可以根据公式(2)进行计算：
F＝mω2r (2)
其中，m为叶身的质量，r为叶片质心距离转轴的距离，ω为叶片转速；
气动弯矩在榫头区域产生的最大弯曲应力可以根据公式(3)进行计算：
σb＝M/W (3)
其中，M为气动弯矩，由公式(1)获得，W为抗弯截面参数，由榫头界面几何参数决定；
离心应力在榫头区域产生的最大离心应力可根据公式(4)进行计算：
σc＝F/A (4)
其中，F为离心载荷，由公式(2)获得，A为榫头不同等高面的面积，与榫头的几何参数相关；
根据上述计算公式，计算并调整所述榫头的详细几何尺寸，使得榫头区域不同部位的应力合力近似相同，且最大值小于700MPa；根据尺寸获得榫头形状。
5、所述叶片本体成形后，采用成型刀、球头刀等，根据步骤4的尺寸要求加工出榫头，并使得叶片本体内部气流通道与所述榫头内部空腔联通。
6、叶片加工完成后，通过榫头内部空腔向叶片内部空腔注入阻尼材料、安装各类传感器等，实现叶片的功能化。
通过对去除叶片榫头、伸根段的部分材料，实现了风扇叶片的进一步减重，可提高叶片2％～5％的减重效率。
示例性的，假设某型发动机叶片展向极限尺寸为1200mm，轴向极限尺寸为600mm，弦向极限尺寸为60mm。根据上述设计方法生产本发明提出的叶片的流程如下：
(1)根据叶片尺寸、材料属性，计算叶片榫头区域应力大小，在保证榫齿面法线夹角为70°的条件下，选择榫头外形尺寸，将叶片榫头区域应力控制在500MPa左右；
(2)根据叶片外形设计出叶片压力面毛坯外形、吸力面毛坯外形以及瓦楞板毛坯外形；
(3)在蒙皮毛坯上的榫头、伸根段区域加工进气槽，根据进气槽轴线尺寸加工进气槽耦合模具；
(4)在瓦楞板毛坯上制备止焊区域图形，形成双气路通道；
(5)将蒙皮、瓦楞毛坯组合在一起，采用扩散连接的方法将分离的毛坯连接在一起，工艺参数区间为：890℃～940℃温度区间、压力为0.5MPa以上，达到以上条件的操作时间不小于1小时；
(6)将叶片毛坯榫头一侧固定，在叶片毛坯叶尖一施加扭转载荷，使得叶片扭转角达到要求；
(7)将叶片毛坯放置在高温环境中，通过叶片叶尖的进气口对叶片内部表面施加压力载荷，成形叶片气动外形，工艺参数为：温度800℃～920℃，压力为0.5MPa以上，达到以上条件下的操作时间不小于0.5小时；
(8)采用成形刀，加工出榫头；
(9)叶片表面抛光和强化。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构，其特征在于，所述叶片结构包括叶片本体(1)和榫头(2)；
所述叶片本体(1)包括多层金属板；所述叶片本体(1)内设置有中间金属板(103)，并通过中间金属板(103)构成叶片空腔(104)，所述中间金属板(103)设置为横截面为W形或H形的结构，且所述中间金属板(103)的结构沿叶片展向方向变化，贯穿所述叶片本体(1)；所述叶片本体(1)的边缘设置有蒙皮，且所述蒙皮与所述中间金属板连接；
所述榫头(2)包括第一对榫齿面(201)和第二对榫齿面(202)，所述第一对榫齿面(201)和第二对榫齿面(202)对称设置，用于共同承担载荷，且所述第一对榫齿面(201)和第二对榫齿面(202)相对的内侧榫齿面之间设置有榫头空腔；
所述叶片本体(1)与所述榫头(2)连接，且所述榫头空腔与所述叶片空腔(104)连通；所述叶片空腔(104)和/或所述榫头空腔内设置有阻尼材料和/或传感器。
2.根据权利要求1所述的叶片结构，其特征在于，
所述叶片本体(1)为三层金属板，包括第一金属板(101)、第二金属板(102)和中间金属板(103)；
所述第一金属板(101)和第二金属板(102)相对设置，且第一金属板(101)和第二金属板(102)组成叶片的外形；
所述中间金属板(103)设置在第一金属板(101)和第二金属板(102)之间的夹层中，且所述中间金属板(103)与第一金属板(101)、第二金属板(102)之间构成所述叶片空腔(104)。
3.根据权利要求1所述的叶片结构，其特征在于，
所述榫头(2)的截面包括但不限于燕尾形或枞树形；所述榫头(2)的安装部为圆弧型或直型。
4.一种实现权利要求1-3任一所述的叶片结构的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、利用两块外层金属板构成叶片本体的外形，并且形成满足气动要求的流道；在两块外层金属板之间设置一块或多块中间金属板，通过所述中间金属板连接叶片本体边缘处的蒙皮，使叶片结构成为一体；
S2、将中间金属板设置为横截面为W形或H形的结构，并使所述中间金属板沿着叶片展向方向变化，贯穿整个叶片本体，并在叶片本体内，与两块外层金属板之间构成气流通道；
S3、将榫头设置为截面为燕尾形或枞树形，榫头的安装部为圆弧型或直型；所述榫头的内部设置有榫头空腔，所述榫头空腔贯穿整个榫头，且所述榫头空腔可以与所述叶片本体内的气流通道连通；
S4、计算并调整所述榫头的几何尺寸，使得榫头区域不同部位的应力合力近似相同，且应力合力的最大值小于700MPa；根据尺寸获得榫头形状；
S5、所述叶片本体成形后，采用成型刀和/或球头刀，根据步骤S4的尺寸要求加工出榫头，并使得叶片本体内部气流通道与所述榫头内部的榫头空腔连通。
5.根据权利要求4所述的叶片结构的设计方法，其特征在于，
所述计算榫头的几何尺寸包括：
所述叶片本体作用在所述榫头上的气动弯矩可以根据公式(1)进行计算：
M＝F*L (1)
其中，F为作用在叶身上的气动力合力，L为合力作用点到榫头的距离；
所述叶片本体作用在所述榫头上的离心载荷可以根据公式(2)进行计算：
F＝mω2r (2)
其中，m为叶身的质量，r为叶片质心距离转轴的距离，ω为叶片转速；
所述榫头区域产生的最大弯曲应力可以根据公式(3)进行计算：
σb＝M/W (3)
其中，M为气动弯矩，由公式(1)获得，W为抗弯截面参数，由榫头界面几何参数决定；
所述榫头区域产生的最大离心应力可根据公式(4)进行计算：
σc＝F/A (4)
其中，F为离心载荷，由公式(2)获得，A为榫头不同等高面的面积，与榫头的几何参数相关；
根据上述计算公式，计算所述榫头的几何尺寸。
6.根据权利要求5所述的叶片结构的设计方法，其特征在于，
所述方法还包括：S6、所述叶片加工完成后，通过榫头空腔向叶片空腔注入阻尼材料和/或安装传感器。
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