一种航空发动机钛合金空心风扇叶片及其强度评估方法与流程

1.本技术属于航空发动机技术领域，特别涉及一种航空发动机钛合金空心风扇叶片及其强度评估方法。


背景技术：

2.随着现代航空发动机的推重比和涵道比不断提高，风扇转子叶片承受的离心负荷和气动负荷也越来越高，相应的轮盘承受的载荷也越来越大。传统的风扇转子叶片通常采用实心钛合金叶片，当推重比和涵道比过高时，实心钛合金风扇叶片存在重量大、变形大、应力高和振动突出等问题。采用钛合金空心风扇叶片可以有效降低风扇叶片自身重量，空心风扇叶片的空心率至少达到20％以上，才能有效减轻叶片和轮盘的离心负荷，并有效降低风扇部件重量。
3.但由于与实心风扇叶片采用相同的钛合金材料，现阶段在进行空心风扇叶片强度评估时常采用钛合金实心风扇叶片的强度评估方法，如图1和图2所示的实心和空心风扇叶片结构示意图，由于钛合金空心风扇叶片为多层扩散焊超速成型结构，其结构和力学性能与实心风扇叶片存在较大差异。若采用实心风扇叶片对静强度和振动特性进行评估的方法，评估过程相对割裂，这会使空心风扇叶片的评估结果不够准确。此外，传统实心风扇叶片静强度主要针对叶片表面部位进行评估，而按照上述评估方法对空心风扇叶片的空腔焊接部位进行校核，校核结果偏危险，不利于空心风扇叶片的耐久性和可靠性设计。此外，实心风扇叶片的罩量调整方法也不适用空心风扇叶片的罩量调整。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供了一种航空发动机钛合金空心风扇叶片及其强度评估方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
5.本技术的技术方案是：一种航空发动机钛合金空心风扇叶片强度评估方法，所述方法包括：
6.使空心风扇叶片与实心风扇叶片具有相同的叶型，根据实心风扇叶片罩量和空心风扇叶片质量推算出使空心风扇叶片具有合理罩量时的空心风扇叶片质心周向坐标，得到满足空心风扇叶片合理罩量的空心风扇叶片结构；
7.通过静强度分析获得空心风扇叶片的静应力分布以及通过振动特性分析获得空心风扇叶片的振动应力分布，判断空心风扇叶片的静应力分布及振动应力分布的最大点位置是否满足要求，若不满足要求，则调整空心风扇叶片的结构参数，直至所述空心风扇叶片的应力分布及振动应力分布的最大点位置满足要求；
8.确定空心风扇叶片的截面强度校核部位，根据应力幅值-平均应力等寿命曲线建立实心风扇叶片强度与空心风扇叶片强度的关系式，基于实心风扇叶片静强度储备标准不低于实心风扇叶片校核强度，得到空心风扇叶片空心焊接区的强度。
9.进一步的，根据实心风扇叶片罩量和空心风扇叶片质量推算出使空心风扇叶片具
有合理罩量时空心风扇叶片质心周向坐标的过程包括：
10.由实心风扇叶片罩量推导出空心风扇叶片罩量：
[0011][0012]
式中，m
xj,离
为离心弯矩；
[0013]mxj,气
为气动弯矩；
[0014]mxj,合
为合成弯矩；
[0015]m空
为空心叶片质量；
[0016]
ω为转速；
[0017]
zi为i截面径向坐标；
[0018]
zj为j截面径向坐标；
[0019]
zk为k＝1,2,
…
,j时的1,2,
…
,j截面径向坐标；
[0020]
yj为j截面周向坐标；
[0021]yi空
为空心叶片i截面周向坐标；
[0022]
p
yk
为k＝1,2,
…
,j时的1,2,
…
,j截面叶片表面气动压力；
[0023]
实心风扇叶片和空心风扇叶片质量关系m
空
＝a
·m实
；
[0024]
式中，m
空
为空心叶片质量，m
实
为实心叶片质量，a为空心率；
[0025]
根据空心风扇叶片罩量推导关系式及实心风扇叶片和空心风扇叶片的质量关系得到空心风扇叶片周向质心坐标：
[0026]
进一步的，所述空心区应力分布部位包括空心区肋板和壁板，所述实心区应力分布部位包括实心区叶片表面。
[0027]
进一步的，所述静应力分布及振动应力分布的最大点位置是否满足要求的判断过程为：
[0028]
1)当静应力最大点位于空心风扇叶片的空心区，且振动应力最大点位于实心区，则增大静应力最大点附近壁厚或肋板厚度；
[0029]
2)当静应力最大点位于空心风扇叶片的实心区，且振动应力最大点位于空心区，则针对空心风扇叶片的危险振型调整空心风扇叶片弯曲或扭转节线位置，以调整振动应力最大点位置；
[0030]
3)当静应力最大点和振动应力最大点均位于空心风扇叶片的空心区，则调整空心风扇叶片各型面的刚度分布，增强空心区截面刚度。
[0031]
直至空心风扇叶片的静应力和振动应力最大点均位于空心风扇叶片的实心区，则满足空心风扇叶片的应力分布。
[0032]
进一步的，所述空心风扇叶片的截面强度校核部位包括：空腔扩散焊接部位、空腔内部壁板、空腔内部肋板、空腔内部空实心转接部位、叶片盆侧表面及叶片背侧表面。
[0033]
进一步的，根据应力幅值-平均应力等寿命曲线建立实心风扇叶片与空心风扇叶
片的关系式，过程包括：
[0034]
建立实心风扇叶片及空心风扇叶片的静强度储备计算公式：
[0035][0036]
式中，n
b实
为实心风扇叶片静强度储备；
[0037]nb空
为空心风扇叶片的静强度储备；
[0038]
σb为叶片材料极限强度；
[0039]
σ
v实
为实心风扇叶片静应力；
[0040]
σ
v空
为空心风扇叶片静应力；
[0041]
建立叶片动强度储备n
动
计算公式：
[0042]
式中，σa为许用振动应力，σ
动
为叶片振动应力；
[0043]
基于实心风扇叶片的振动应力等于空心风扇叶片振动应力的假设，得到空心风扇叶片许用振动应力等于实心风扇叶片许用振动应力：σ
a空
＝σ
a实
；
[0044]
根据goodman应力幅值-平均应力等寿命曲线得关系式：
[0045][0046]
其中，b为空心叶片疲劳极限下降程度；
[0047]
σ
v空
为空心风扇叶片的静应力；
[0048]
σ
v实
为实心风扇叶片的静应力；
[0049]
σ-1空
为空心风扇叶片的疲劳极限；
[0050]
σ-1实
为实心风扇叶片的疲劳极限；
[0051]
基于强度校核公式、动强度储备公式及关系式得到实心风扇叶片强度与空心风扇叶片强度的关系式：
[0052]
另外，本技术中提供了一种航空发动机钛合金空心风扇叶片，所述空心风扇叶片的强度校核按照如上中任一所述的航空发动机钛合金空心风扇叶片强度评估方法进行评估。
[0053]
本技术提供的空心风扇叶片强度评估方法可以提高空心风扇叶片罩量的设计效率，在综合静强度和振动特性的叶片应力分布评估中，应力分布评估结果更加合理和准确，可以提高空心风扇叶片的耐久性和可靠性。
附图说明
[0054]
为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
[0055]
图1为实心叶片结构示意图，其中，图a为实心风扇叶片正视图，图b为实心风扇叶片俯视图。
[0056]
图2为空心叶片结构示意图，其中，图a为空心风扇叶片正视图，图b为空心风扇叶片俯视图。
[0057]
图3为本技术的航空发动机钛合金风扇叶片强度评估方法流程图。
[0058]
图4为空心风扇叶片罩量调整示意图。
[0059]
图5为空心风扇叶片的空心区和实心区示意图。
[0060]
图6为空心风扇叶片强度校核部位示意图。
[0061]
图7为本技术一实施例的goodman应力幅值-平均应力图。
具体实施方式
[0062]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0063]
如图3所示的空心风扇叶片强度评估方法流程图，本技术提出的航空发动机钛合金空心风扇叶片强度评估方法主要包含三个部分：
[0064]
部分一、空心风扇叶片罩量评估。
[0065]
转子叶片工作时承受离心力引起的离心弯矩和气动压力引起的气动弯矩，通过设计合理的叶片质心坐标，使离心弯矩补偿气动弯矩，从而降低叶片的弯曲应力，使离心和气动弯矩的合成弯矩为可接受的调整量，弯矩补偿如图4所示。其中，i截面为叶片质心所在截面，j截面为叶片罩量评估的截面。
[0066]
空心风扇叶片与实心风扇叶片具有相同的叶型，不同之处在于空心风扇叶片由于内部空心引起的质量变化。
[0067]
根据以上原理，通过实心风扇叶片罩量和空心风扇叶片质量推算出使空心风扇叶片具有合理(即叶片盆背应力水平相当)罩量的空心叶片质心周向(y向)坐标，推算过程如下：
[0068]
由实心风扇叶片罩量公式推导出空心风扇叶片罩量：
[0069][0070]
式中，m
xj,离
为离心弯矩；
[0071]mxj,气
为气动弯矩；
[0072]mxj,合
为合成弯矩；
[0073]m空
为空心叶片质量；
[0074]
ω为转速；
[0075]
zi为i截面径向坐标；
[0076]
zj为j截面径向坐标；
[0077]
zk为k＝1,2,
…
,j时1,2,
…
,j截面径向坐标；
[0078]
yj为j截面周向坐标；
[0079]yi空
为空心叶片i截面周向坐标；
[0080]
p
yk
为k＝1,2,
…
,j时1,2,
…
,j截面叶片表面气动压力。
[0081]
实心和空心风扇叶片质量关系：m
空
＝a
·m实
[0082]
式中，m
空
为空心风扇叶片质量，m
实
为实心风扇叶片质量，a为空心率。
[0083]
由以上公式可得到空心风扇叶片周向质心坐标：
[0084]
在进行空心风扇叶片设计时，先确定叶型和实心风扇叶片结构，再按照目标空心率设计详细的空心结构，最终确定空心风扇叶片结构后再进行强度计算和罩量调整优化。性能和结构设计阶段无法设计空心叶片罩量，只能等空心叶片设计好后再进行多轮次的罩量调整优化与评估。
[0085]
通过本技术中的实心和空心风扇叶片质量关系，在空心风扇叶片设计时根据性能专业提供的实心风扇叶片叶型和结构专业提供的目标空心率a，即可得到空心风扇叶片周向质心坐标y
i空
并将其反馈给性能和结构专业，即可在空心风扇叶片性能和结构设计时完成空心叶片罩量设计，即使罩量评估通过。
[0086]
部分二、综合静强度与振动特性的空心风扇叶片应力分布评估。
[0087]
空心风扇叶片内腔为超速成型扩散焊接而成，不可避免的存在焊接缺陷从而影响空心风扇叶片的疲劳性能，空心区域的性能相对于实心区较差。当静应力或振动应力最大点位于空心区时，空心风扇叶片的薄弱区即位于空心区，可能表现为空心区动强度储备不足，削弱了整个空心风扇叶片的耐久性和可靠性。
[0088]
如图5所示的空心风扇叶片空心区a1和实心区a2位置示意图，空心风扇叶片的空心区应力主要分布于空心区肋板和壁板，空心风扇叶片的实心区应力主要分布于实心区表面。
[0089]
通过静强度分析获得空心风扇叶片静应力分布，通过振动特性分析获得空心风扇叶片振动应力分布。当静应力最大点或振动应力最大点位于空心区a1时，空心风扇叶片较为危险；当静应力最大点和振动应力最大点重合并位于空心区a1时，对于空心风扇叶片是最危险的。
[0090]
针对以上问题，本技术给出相应的优化改进方法，直至空心风扇叶片的应力分布评估通过，过程包括：
[0091]
1)当静应力最大点位于空心区a1，且振动应力最大点位于实心区a2，则增大静应力最大点附近壁厚或肋板厚度，增强局部刚性；
[0092]
2)当静应力最大点位于实心区a2，且振动应力最大点位于空心区a1，则针对空心风扇叶片的危险振型调整叶片弯曲或扭转节线位置，以调整振动应力最大点位置；
[0093]
其中，调整过程为：根据危险振型节线位置，对相应叶型截面厚度进行调整，加厚或减薄从而使节线位置发生变化，即振型发生变化，相应的最大振动应力点也随之移动，使
振动应力最大点移动到实心区；
[0094]
3)当静应力最大点和振动应力最大点均位于空心区a1时，则调整空心风扇叶片各型面的刚度分布，增强空心区截面刚度；
[0095]
其中，调整过程为：增加静应力和振动应力最大点截面整体厚度或增加截面壁板和肋板厚度，使薄弱截面的刚度得到增强，从而优化整体刚度分布；
[0096]
通过上述过程的调整，直至空心风扇叶片静应力和振动应力最大点均位于实心区a2，则空心风扇叶片的应力分布评估通过。
[0097]
部分三、综合叶片表面应力分析及空腔内部应力分析的叶片强度校核。
[0098]
空心风扇叶片强度校核时应关注叶片表面应力和空腔内部应力，对空心风扇叶片沿叶高所有截面进行强度校核，如图6所示，空心风扇叶片的截面强度校核部位包括：
[0099]
1)空腔扩散焊接部位11；
[0100]
2)空腔内部壁板12；
[0101]
3)空腔内部肋板13；
[0102]
4)空腔内部空实心转接部位14；
[0103]
5)叶片盆侧表面15；
[0104]
6)叶片背侧表面16。
[0105]
根据空心风扇叶片扩散焊接试验件的测试结果，扩散焊接部位的强度接近于母材，认为焊接部位强度等于母材强度；另外，扩散焊接部位的疲劳性能低于母材。
[0106]
如图7所示，本技术基于叶片goodman应力幅值-平均应力等寿命曲线而提出针对空腔焊接部位的强度校核方法，旨在通过控制叶片焊接部位静应力，从而控制焊接部位的强度和疲劳寿命，过程如下：
[0107]
实心及空心风扇叶片的静强度储备公式：
[0108]
式中，n
b实
为实心风扇叶片静强度储备；
[0109]nb空
为空心风扇叶片的静强度储备；
[0110]
σb为叶片材料极限强度(空心和实心风扇叶片材料一致)；
[0111]
σ
v实
为实心风扇叶片的静应力；
[0112]
σ
v空
为空心风扇叶片的静应力。
[0113]
叶片动强度储备公式：
[0114]
式中，σa为许用振动应力，σ
动
为叶片振动应力。
[0115]
为了保证空心风扇叶片与实心风扇叶片具有相同的可靠性和耐久性，使空心风扇叶片的动强度储备等于实心风扇叶片。基于实心风扇叶片的振动应力等于空心风扇叶片振动应力的假设，因此，空心风扇叶片许用振动应力应等于实心风扇叶片许用振动应力，得：σ
a空
＝σ
a实
；
[0116]
由goodman应力幅值-平均应力图的等寿命曲线，可得：
[0117][0118]
其中，b为空心叶片疲劳极限下降程度，σ
v空
为空心风扇叶片的静应力，σ
v实
为实心风扇叶片的静应力，σ-1空
为空心风扇叶片的疲劳极限，σ-1实
为实心风扇叶片的疲劳极限。
[0119]
由上述公式可得：
[0120]
由实心风扇叶片静强度储备标准不低于实心风扇叶片校核强度n
b实
，从而可以得到空心焊接区强度校核时要求的静应力储备不低于n
b空
。
[0121]
本技术提供的空心风扇叶片强度评估方法可以提高空心风扇叶片罩量的设计效率，在综合静强度和振动特性的叶片应力分布评估中，应力分布评估结果更加合理和准确，可以提高空心风扇叶片的耐久性和可靠性。
[0122]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。