宽弦空心风扇转子叶片叶身结构设计参数分析

于 洋，张 力，战 鹏，郝燕平

（沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

宽弦空心风扇转子叶片叶身结构设计参数分析

于 洋，张 力，战 鹏，郝燕平

（沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

对空心叶片模型型腔和加强筋结构设计参数进行了分析；考虑到制造工艺可行性，采用ANSYS有限元软件对空心叶片模型进行了建模及应力分析。分析结果表明，加强筋数量增加，或加强筋与蒙皮厚度比增大，或加强筋扩散连接区域与非连接区域长度比增大，对蒙皮最大应力值影响不大，但对加强筋最大应力值影响较大。

空心风扇叶片；超塑成形/扩散焊（SPF/DB）；FEA；航空发动机

1 引言

高推重比涡扇发动机设计的主要任务是综合考虑气动、质量、振动、噪声、结构完整性和可靠性以及制造成本等因素，择优选择设计方案，以最小的质量达到推力指标要求。宽弦空心风扇转子叶片的结构设计就是满足了这些要求的典型设计范例。

从国内外研究现状可以看出，国外在宽弦空心风扇叶片方面的研究起步早，并且在结构设计、制造和相关分析方面的水平很高，在研、在役及预研涡扇发动机均使用了宽弦空心风扇叶片；国内则在总体水平上落后于国外。

本文对宽弦空心风扇叶片叶身的结构设计方法、强度分析方法进行研究。

2 SPF/DB宽弦空心风扇转子叶片结构与工艺特点

2.1 结构特点

宽弦空心风扇转子叶片取消了凸肩，增加了弦的宽度。与实心风扇转子叶片相比，叶栅通道面积加大，喘振裕度、级效率提高。SPF/DB宽弦空心风扇转子叶片的叶身由3或4层钛合金板通过SPF/DB连接在一起；芯部是桁架式空心的结构，外侧是2块厚壁蒙皮，蒙皮的厚度从根部沿叶高递减。

空心结构处在叶片的上部，约占叶片的2/3，使风扇转子叶片的质量降低（如图1所示），离心力减小。叶片的进气边和排气边为实心结构。通过进行详细的有限元分析评估，包括对所有可能的备选结构进行参数分析，设计了不同结构的空心风扇叶片，如图2所示。而宽弦空心风扇转子叶片内部加强筋的位置、数量、夹角，以及叶片面板与芯板的厚度比例，是SPF/DB宽弦叶片设计与制造能否成功的关键之一。

2.2 工艺特点

SPF/DB工艺方法分为2板法、3板法和4板法。加工过程中的控制参数主要有温度、压力、时间压力-时间的关系以及表面条件等。SPF/DB空心叶片的生产过程如图3所示，用3板法加工的样件如图4所示。

本文选用SPF/DB结构形式作为进一步研究的对象，并且选择3层板式结构。

3 空心叶片结构设计参数强度

3.1 计算模型及载荷

对于空心叶片，在设计上，除了叶片气动外形和叶片结构强度须满足设计条件外，叶片内部空腔的大小、形式以及空腔内部加强芯板的结构形式也须如此，因为都对叶片结构强度、振动以及叶片/轮盘榫联结构有较大影响。

选取3层板SPF/DB的形式作为空心叶片基本结构形式，确定了空心叶片结构优化设计时需要的基本结构特征参数：空心叶片蒙皮厚度；空心叶片内部加强筋厚度；空心叶片内部加强芯板数量；空心叶片内部加强芯板扩散连接长度。依据这几个基本结构特征参数就可以确定空心叶片内部结构形式。

空心叶片在工作中受到离心力、气动力和振动力作用，主要载荷是离心力和振动力，气动力对空心叶片受力的影响相对较小，所以，空心叶片涉及的载荷只有离心力载荷，而不包括表面压力、弯矩和扭矩等气动力载荷。

以某型发动机预研空心风扇转子叶片的尺寸为基础，把叶型横截面进行简化，得到空心叶片模型。将空心风扇转子叶片简化为上下2面平行的平板叶片（如图5所示），其机械结构由表面上的蒙皮和内部的加强筋构成。

在每1个模型上，蒙皮厚度都是相等的。而内部的加强筋厚度则与超塑成型/扩散连接加工工艺过程有关，在扩散连接区域，加强筋厚度与初始板材厚度相等；在超塑成形区域，加强筋厚度要比初始板材厚度略薄。具体厚度则由超塑成形时的长度变化确定。

约束条件：叶片悬臂固支（固支端蒙皮固定不动）；计算在弹性范围内进行（如图6所示）。

3.2 计算结果及分析

模型空心叶片的加强筋由3层板的SPF/DB形式中的中间板生成，一部分通过扩散连接与蒙皮焊接在一起，非连接区域则通过超塑成形在2层蒙皮之间形成。所形成的非连接区域的个数在本文中称为加强筋的片数。

空心叶片模型有4～18片加强筋。考虑到在制造过程中，蒙皮与加强筋的厚度比例过小，蒙皮表面会出现凹槽变形现象，于是，在初始状态，将叶片加强筋与叶片蒙皮厚度比设为1：1；在计算时，将叶片加强筋与叶片蒙皮厚度比提高为1：2至1：3；而在扩散连接区域和超塑成型区域，长度比分别从 1：3、1：1至 3：1。根据某型涡轮风扇发动机风扇转子的工作状态，将空心叶片模型的离心力载荷设为角速度1500rad/s；在这一假设下，分析离心力载荷下的结构变化对空心叶片受力的影响。

此类空心叶片的特点是壁比较薄，而且叶身很长，因此，在根部只对蒙皮施加约束，对加强筋不施加约束。

（1）加强筋数量对加强筋及蒙皮的等效应力最大值的影响。在空心叶片加强筋与蒙皮厚度比为1：3的情况下，分析在离心力载荷作用下，加强筋数目（分别选取 4、6、10、14、18）对空心叶片受力的影响（如图7所示）。

（2）加强筋与蒙皮厚度比对加强筋及蒙皮的等效应力最大值的影响。选取空心叶片加强筋数量为18个的情况，分析在离心力载荷作用下，加强筋与蒙皮的厚度比（加强筋与蒙皮的厚度比分别选为1：9、1：3、2：3、1：1等几种结构）对空心叶片受力的影响（如图8所示）。

（3）加强筋扩散连接区域与非连接区域长度比对加强筋及蒙皮的等效应力最大值的影响。选取空心叶片加强筋数量为18个,空心叶片加强筋与蒙皮厚度比为2：3的情况，分析在离心力载荷作用下，加强筋扩散连接区域与非连接区域长度比（分别选取5：1、3：1、1：1、1：3、1：5）对空心叶片受力的影响（如图9所示）。

4 结论

（1）加强筋数量增加对蒙皮最大应力值影响不大，但对加强筋最大应力值影响较大。加强筋数量开始增加时，加强筋最大应力值略有增大；当加强筋数量增加到一定值时，加强筋最大应力值会突然下降。所以，在设计空心叶片时，在考虑质量因素的同时，应该尽量增加加强筋数量。

（2）加强筋与蒙皮厚度比增大对蒙皮最大应力值影响不大，但对加强筋最大应力值影响较大。加强筋与蒙皮厚度比开始增大时，加强筋最大应力值略有增大；当加强筋数量增加到一定值时，加强筋最大应力值会突然大幅度增大。

（3）加强筋扩散连接区域与非连接区域长度比增大对蒙皮最大应力值影响不大，但对加强筋最大应力值影响较大。加强筋扩散连接区域与不连接区域长度比开始增大时，加强筋最大应力值略有减小；当加强筋扩散连接区域与非连接区域长度比增大到一定值时，加强筋最大应力值会增大；加强筋扩散连接区域与非连接区域长度相等时，易得到较小的加强筋最大应力值。

[1]Fitzgerald G A,Broughton T.The Rolls-Royce wide chord fan blade[C].The 1st International Conference of the Titanium Development Association,San Francisco,CA,Oct.1986.

[2]Edward D,Weisert.Hollow Titanium Turbofan Blades[Z].Superplasticity in aerospace:Proceedings of the Topical Symposium,Phoenix,AZ,Jan.25-28,1988（A89-1505103-26）.Warrendale,PA,Metallurgical Society,Inc.,1988:315-330.

[3]Xun Y W,Tan M J.Applications of superplastic forming and diffusion bonding to hollow engine blade.Journal of Materials Processing Technology 99,2000:80-85.

[4]McElhone M.The hollowwide chord fan blade （WCFB）-a stiffened metallic structure.The Seminar on Designing High-Performance Stiffened Structures,London,UK,June 29,1999:45-57.

[5]白秉哲,张卓民,郑卫东,等.美国超塑成形技术及应用［J］.航天技术与民品,1999（1）.

[6]侯冠群,尚波生.宽弦空心风扇叶片技术的发展［J］.航空制造工程,2002（12）.

Analysis of Design Parameters of Wide Chord Hollow Fan Blade Structure

YU Yang，ZHANG Li,ZHAN Peng,HAO Yan-ping
（Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang110015,China）

The design parameters of chamber and stiffener of hollow blade model were analyzed.Considering the feasibility of manufacturing process,the simulation and stress analysis of the hollow blade model were performed by the ANSYS software.The result shows that the influence on the maximum skin stress is less and the influence on the maximum stiffener stress is larger with increasing stiffener quantity or thickness ratio of stiffener and skin or length ratio of diffusion bonding area and non-diffusion bonding area.

hollow fan blade;SPF/DB;FEA;aeroengine

于洋（1976），男，硕士，工程师，从事航空发动机压气机结构设计工作。