气垫船用垫升风机叶片轻量化研究*

2020-06-16

风机技术 2020年2期

（合肥通用机械研究院有限公司安徽省通用机械复合材料技术重点实验室压缩机技术国家重点实验室合肥压缩机技术省级实验室）

0 引言

气垫船可运行于水面和地面上，具有独特的两栖性和快速性，适合作为两栖登陆作战的末端登陆装备，在军用和民用上都有广泛的应用，近年来受国际形势影响，气垫船的研究得到了广泛的重视。

文献[1]介绍了英国全垫升气垫船的技术发展过程，并对其性能进行统计分析，展望了未来气垫船的发展方向。文献[2]针对大型气垫船燃气轮机、推进系统和垫升系统建立了准确适用的数学模型、控制策略和仿真模型，仿真并分析了大型气垫船动力系统稳态及动态性能。文献[3]对某型号气垫船的垫升性能进行了规范计算和数值模拟计算，对两种计算结果进行对比分析。从上数文献可以看出，针对气垫船的研究已经较广泛，但大多数研究针对的是气垫船本身的整体性能，很少有单独对核心部件进行研究。

气垫船的原理主要是用大功率垫升风机向船底持续输入空气，从而将船底升起，在水面与船体之间形成气垫，降低摩擦阻力，使船体可以高速前进并且可以直接登陆。大型气垫船所采用的垫升风机通常为单级轴流风机，作为其核心部件，具备大直径（叶轮直径可达到2米多）、高负荷（功率可达3 000kW以上）、使用环境恶劣（高温、高湿、高盐）、叶片质量轻（仅为常规设计的1/4）等特点，因此垫升风机叶片面临高可靠性、高效气动与轻量化设计的复杂挑战，尤其是保证可靠性下的轻量化设计。文献[4]用PP-GF28替代原来AS-GF20为例，从材料力学性能、轴流风叶单体性能、整机风量、整机噪声等方面验证了PP-GF28替代原来ASGF20在室外机轴流风机应用的可行性。文献[5]基于修正的风力机空气动力学理论，采用改进的多目标粒子群算法对风力机叶片进行优化设计从而改善其性能并降低其质量。从上述文献可以看出，针对轴流风机叶片轻量化研究，已经较为普遍。但针对大直径、高转速、使用环境恶劣且轻量化要求极高的气垫船用垫升风机叶片的研究，还没有公开文献报道过。

本文根据现有某型号气垫船轴流式垫升风机的设计要求，从选材、强度计算、成型方法等方面对气垫船用垫升风机叶片的轻量化进行对比研究。

1 设计要求

某型号气垫船垫升风机设计参数如下：流量300m3/s，全压12 200Pa，转速1 320r/min，叶片数量12片，为确保风机轻量化设计要求，单片叶片质量应小于37.5kg。

2 叶片选材

根据设计参数开展叶片的高效气动优化设计[6]，设计过程本文不再赘述，得到的叶片形状如图1所示，单片叶片的长度965mm，为保证叶片质量不大于37.5kg，叶片的平均密度不大于1.85g/cm3。针对高强度低密度轻量化的设计目标，通过比较，选择铝合金ZL114A和碳纤维T700[7-8]材料作为研究对象，两种材料的力学性能如表1所示，从表中可以看出铝合金密度偏高，需要做成中空结构才能满足质量要求。

图1 叶片三维造型图Fig.1 Blade three-dimensional model

表1 两种材料力学性能表Tab.1 Mechanical properties of two materials

3 叶片强度计算

为了确保叶片的可靠性，需对叶片进行强度校核，以下是叶片的有限元计算过程[9-10]。

3.1 应力计算

定义铝合金叶片的壁厚10mm，此时叶片质量29.75kg。对铝合金叶片叶根与轮毂接触面施加固定约束条件，以叶轮轴线作为旋转轴，施加1 320r/min的离心力载荷，计算叶片的应力分布。等效应力分布如图2所示，最大应力为243.5MPa，安全系数1.314。

图2 铝合金叶片等效应力分布图Fig.2 Equivalent stress distribution diagram of aluminum alloy blade

对碳纤维叶片施加相同的约束条件和载荷，等效应力分布如图3所示[11-12]，最大应力为167MPa，T700的屈服强度＞1 000MPa，安全系数＞5.99。

图3 碳纤维叶片应力分布图Fig.3 Equivalent stress distribution diagram of carbon fiber blade

从应力计算结果来看，两者的强度都可以满足要求，但碳纤维叶片的安全系数远远大于铝合金叶片，从使用角度来说，碳纤维的安全性更高。

4.2 叶片的模态计算

据统计，轴流风机失效主要模式之一是叶片疲劳，根据本案轴流风机使用环境的特殊性，拟开展叶片模态分析[7]，以期共振频率避开风机自身的固有频率，确保使用中的安全可靠。

对两种材料叶片的叶根与轮毂接触面施加相同的固定约束，利用有限元软件进行模态求解计算，并提取出前8阶固有频率，如表2和表3所示。

表2 铝合金叶片前8阶固有频率Tab.2 The inherent frequency of the first eight steps of the aluminum alloy blade

表3 碳纤维叶片前8阶固有频率Tab.3 The inherent frequency of the first eight steps of the carbon fiber blade

对比两种叶片的前8阶振型图，如图4、图5所示，从图中可以看出在相同阶次下模态形状变化趋势相同。

从表2和表3的结果来看，碳纤维叶片相同阶次的固有频率均高于铝合金叶片。均高于工作转速1 320r/min所对应的22Hz（基频），在工作范围内不会发生基频共振，但铝合金叶片的第8阶固有频率与叶轮的2阶通过频率528Hz非常接近，存在发生共振的风险，需要改进叶片结构设计以避开通过频率共振。从使用角度来说，碳纤维叶片的安全性更高。

5 碳纤维铺层方式

在模态计算时，默认材料是各向同性，这种计算方法适用于铝合金叶片，对于碳纤维叶片来说，由于其材料是各向异性，模态计算结果可以作为参考。实际上铺层方式的不同都会带来固有频率的变化[13-14]。考虑到制作不同方式碳纤维叶片的造价太昂贵，为了寻找固有频率的变化规律，简化叶片模型，将其视作直板并缩小，制作如表4所示的8种铺层方式的碳纤维复合板，通过激振试验得到8种碳纤维板的固有频率变化规律。

表4 碳纤维试样板的铺层方式Tab.4 The layering method of carbon fiber sample

激振试验通过固定碳纤维板的一端，另一端连接激振器，通过激振器给予碳纤维板不同频率的激振源，通过频率分析仪分析碳纤维板对激振频率的变形量来测试其固有频率（如图6所示）。

整理8种碳纤维板的前3阶固有频率，结果如表5所示。

图4 铝合金叶片前8阶振型图Fig.4 The first eight steps modes of aluminum alloy blade

图6 碳纤维板激振试验Fig.6 Carbon fiber plate vibration test

图7 碳纤维层合板固有频率分布图Fig.7 Natural frequency distribution of carbon fiber laminates

将试验结果整理成柱状图，如图7所示，按照距离基频远的准则，固有频率值大有利于叶片设计。可以看到，试样1-7的1阶2阶固有频率最大，试验效果最好，但由于1-7为单向铺层板，不利于承受多向受力，综合比较试验1-3固有频率高且强度好，因此按照试样1-3的铺层方式固有频率效果最好。通过试验找到了碳纤维固有频率的变化规律，为后期优化叶片铺层方式提供了一定的参考。