CN101078354B - 多孔金属叶片耦合设计方法 - Google Patents

Abstract

一种多孔金属叶片的设计方法，该方法将多孔金属材料与叶片的设计、加工工艺相结合，利用多孔金属材料比强度高的特性，通过调整所述材料的孔隙率，来进行叶片的工艺、强度、振动、气动热力的耦合设计，从而提高叶片的比强度和满足叶片边界层流动控制的需求。本方法克服现有技术中实心叶片或空心叶片的不足，利用多孔金属材料的优良性能，综合考虑叶片材料特性、强度、振动、气动热力性能，提供一种多孔金属的叶片工艺/强度/振动/气动热力耦合设计方法，可大幅度提高航空发动机和燃气轮机等叶轮机械的部件性能，本发明同时提供一种使用该方法设计的叶片、和包括上述叶片的航空发动机及燃气轮机。

Description

多孔金属叶片耦合设计方法

技术领域

本发明涉及一种叶片设计方法，具体地是涉及航空发动机或燃气轮机中叶轮机部件的叶片的设计与制造方法；本发明还涉及采用该方法设计的叶片和包括该叶片的叶轮机械。

背景技术

在现代叶轮机械设计中，叶片的三维造型手段得到了越来越广泛的应用，这些方法使得叶轮机性能得到了进一步的提高。以风扇气动设计为例，提高风扇的气动负荷、效率和稳定工作范围成为先进风扇设计追求的目标。其中，提高气动负荷的方法包括：提高转子叶尖的切向速度，但是由于旋转叶片承受的离心力与叶片质量、转速和半径的乘积成正比，所以当转子旋转速度高或叶片直径大时(后者常应用于大型军民运输机的动力装置大涵道比涡扇发动机)，叶片承受的离心力很容易超过叶片自身的强度限制，导致叶片破坏或不能正常工作。另外，在风扇叶片中，三维造型手段如弯掠等越来越多的应用于叶片的设计，以提高风扇的气动性能，以风扇前掠为例，可有效提高风扇的工作裕度和效率等，但如何保证转子叶尖前掠部分的强度满足要求是其成功的关键。

在目前如大涵道比涡扇发动机中，风扇转子由于直径过大，国外经常通过如下几种方法减轻叶片自身质量，以达到减轻叶片的离心应力，解决叶片强度问题的目的，具体包括：例如《高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述》(航空发动机，2006年第32卷第3期)中介绍的空心叶片技术；复合材料技术结合金属前缘；叶片中间采用蜂窝结构等等。这些方法已在航空发动机上得到成功的应用，但是对于我们国家发展大型运输机动力而言还是空白，国外的先进技术还难以成功利用，其主要原因是我国的工艺材料还远远不能满足其要求。在军用涡扇发动机上，为了保证前掠转子叶片叶尖前缘的强度，经常在叶尖带箍，但这样导致加工装配工艺复杂，还容易产生其他问题。如何在保证先进气动性能前提下解决风扇叶片的强度问题，并降低叶片的制造成本，对于我国风扇设计技术而言非常重要。

同样对于航空发动机或燃气轮机而言，另外一个重要部件高压涡轮需要高效冷却，以保证涡轮部件能够承受高温燃气并能够长时间工作，目前国内外发展了不少高效冷却的方式，但是其涡轮叶片内部的冷却通道非常复杂，导致加工难度大，工艺复杂，成品率低。所以如何降低涡轮叶片内部冷却通道的复杂程度并满足叶片的冷却需求，对于涡轮叶片而言具有重要的意义。

多孔金属(或称作泡沫金属)材料是近年来得到日益发展的一种新型功能材料，它的内部由连续或不连续的气体与基体金属构成，具有许多特殊的性能，如轻质、高比强度、多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能；因此它在一般工业领域得到了越来越广泛的应用。

多孔金属材料的高比强度、减振、阻尼性能，对于航空发动机风扇叶片来说是非常重要的，高比强度使得风扇转子的切线速度可以进一步提高，或者充分在折转设计中充分发挥三维造型的功能，以提高气动性能；而该材料的减振和阻尼特性则可以大大改善风扇叶片的机械性能，延长叶片的寿命。同时，多孔金属材料内部的特殊结构保证了具有很好的散热特性，这一点对于发动机热端部件是非常重要的，将这一技术应用到涡轮叶片上，一方面可增大有效换热面积，改善叶片内部冷却效果，还可以降低涡轮叶片重量。因此，结合叶轮机的气动热力、结构强度振动等学科，将多孔金属材料技术应用到航空发动机中有可能给现有发动机带来较大幅度的性能提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术中实心叶片(如图1所示)或空心叶片(如图2所示)的不足之处，利用多孔金属材料的优良性能，提供一种多孔金属的叶片工艺/强度/振动/气动热力耦合设计方法，同时提供一种使用该方法设计的叶片、和包括上述叶片的航空发动机及燃气轮机。本发明提供的设计方法综合考虑叶片材料特性、强度、振动、气动热力性能，可大幅度提高航空发动机和燃气轮机等中叶轮机部件的性能。

本发明需要解决的技术方案是：利用多孔金属材料比强度高的特点，以及孔隙率可调的优势，将材料、叶片加工工艺与叶片的气动热力性能、强度振动特性结合起来，提供一种新型多孔金属叶轮机叶片设计方法，从而提高压气机、涡轮的效率及负荷，并为叶片边界层流动控制打下良好的基础，最终为高性能发动机和燃气轮机提供强有力的技术支持。

本发明与现有技术相比具有的明显的优点：在高气动负荷压气机/涡轮的设计中，利用多孔金属材料的特点，通过调整材料孔隙率，提高叶片的比强度，可以充分利用现有三维造型手段，实现叶片工艺/强度/振动/气动热力的综合考虑，有助于大幅度提高叶轮机性能和使用寿命，减少涡轮叶片的冷却气量，同时为叶轮机边界层的流动控制打下了良好的基础。

附图说明

图1：实心金属结构风扇叶片和涡轮叶片的截面剖视图；

图2：中空金属结构风扇叶片和涡轮叶片的截面剖视图；

图3：本发明的多孔金属结构风扇叶片和涡轮叶片的截面剖视图。

具体实施方式

本发明的叶片设计方法可用于对航空发动机或燃气轮机等叶轮机械的叶片设计过程。

实施例1：该方法用于叶轮机械的叶片的设计过程，其包括如下步骤：

1)进行叶片气动设计；

2)选择孔隙率进行多孔金属叶片的夹心体的设计；

3)对多孔金属叶片进行强度、振动分析；

4)加工夹心体；

5)加工叶片外围衬体；

6)对多孔金属叶片进行检验、校核，重复前述步骤直至完成设计。

实施例2：该方法用于风扇或压气机叶片的设计过程，其包括如下步骤：

1)进行风扇/压气机叶片气动设计，根据航空发动机/燃气轮机总体对部件性能要求得出各叶片排出口沿径向各截面的速度三角形、气动热力参数、级参数和总参数；然后完成叶片型面造型、叶型积叠，最后经全三维粘性流场计算分析验算所得设计结果，如不满足要求，则反复上述过程直到满足气动性能要求为止；在该气动设计中，充分利用弯掠等三维造型手段以实现先进的气动性能指标；

2)对步骤1)得到的风扇或压气机叶片进行实心金属叶片强度的分析，根据强度分析结果，适当选取孔隙率分布来设计叶片中间的夹心体，其中孔隙率的分布可以均匀、亦可根据强度的要求设计成非均匀分布，最终的叶片将由多孔金属夹心体和外围金属衬体(或复合材料衬体)组成，所述衬体的外形满足所设计的叶片气动外形，风扇/压气机的外围衬体可以根据流动控制的需求打孔与夹心体的通孔连通，以实现叶片边界层的抽吸等功能；

3)根据多孔金属的本构方程或试验对叶片进行强度分析，并结合结构设计对风扇/压气机部件进行振动分析等，如果不满足要求，则回到步骤2)重新调整孔隙率等的设计，直到强度、振动满足要求；

4)根据金属材料的特性等选择合适的多孔金属加工工艺，以满足叶片夹心体的要求，如添加隔离剂的粉末冶金制备多孔金属方法等，并保证所加工的夹心体满足要求。

5)根据设计要求利用机械加工、铸造、超塑成型等加工方法加工叶片外围的衬体，并通过焊接、粘接与夹心体连成一体，或在夹心体外围缠绕复合材料形成叶片外形；

6)利用试验等方法检验叶片设计加工是否满足要求，否则回到步骤1)；如满足要求，则完成设计。

实施例3：该方法用于涡轮叶片的设计过程，其包括如下步骤：

1)进行涡轮叶片气动设计，根据航空发动机/燃气轮机总体对部件性能要求得出各叶片排出口沿径向各截面的速度三角形、气动热力参数、级参数和总参数；然后完成叶片型面造型、叶型积叠，最后经全三维粘性流场计算分析验算所得设计结果，如不满足要求，则反复上述过程直到满足气动性能要求为止；在设计中，充分利用弯掠等三维造型手段以实现先进的气动性能指标；

2)对步骤1)得到的叶片进行传统金属材料叶片冷却和传热特性分析，根据所需要的叶片冷却效率，设计涡轮叶片夹心体的孔隙率分布以及主流孔的直径和连通方式，叶片外围金属衬体(或复合材料衬体)由高温合金铸造或其他工艺加工而成，并满足气动外形的设计要求，根据需求，叶片外围的衬体也可打孔与夹心体的通孔连接，以满足叶片表面的气膜冷却或发汗冷却等的需求；

3)进行孔泡沫金属材料叶片冷却和传热特性的分析或试验，以及叶片强度振动特性的分析或试验，如不满足要求，重新调整夹心体的孔隙率分布等参数，重新进行多孔金属夹心体的设计，并回到步骤2)，如满足设计要求，则进行步骤4)；

4)根据金属材料的特性等选择合适的多孔金属加工工艺，以满足叶片夹心体的要求，如添加隔离剂的粉末冶金制备多孔金属方法等，并保证所加工的夹心体满足要求；

5)根据设计要求利用机械加工、铸造、超塑成型等加工方法加工叶片外围的衬体，并通过焊接、粘接与夹心体连成一体，或在夹心体外围缠绕复合材料形成叶片外形；

6)利用试验等方法检验叶片设计加工是否满足要求，否则回到步骤1)；如满足要求，则完成任务。

实施例4：如实施例1中的设计方法，其中设计的多孔金属叶片不包括外围衬体，即多孔金属叶片由具有合适的孔隙率的夹心体单独构成。

实施例5：如实施例2中的设计方法，其中设计的多孔金属叶片不包括外围衬体，即多孔金属叶片由具有合适的孔隙率的夹心体单独构成。

实施例6：如实施例3中的设计方法，其中的多孔金属叶片不包括外围衬体，即多孔金属叶片由具有合适的孔隙率的夹心体单独构成。

实施例7：燃气轮机或其它的叶轮机部件的设计方法，其具体步骤分别与实施例1-6相同。

实施例8：其它流体机械的设计方法，其具体步骤分别与实施例1-6相同，所述流体机械可以是风机、汽轮机或压缩机等。

实施例9：利用实施例1-8的设计方法设计出来的多孔金属叶片，其具体结构与图3叶片结构类似。

显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的所有实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种叶片设计方法，所述叶片为多孔金属材料制成，该设计方法将多孔金属材料与叶片的设计、加工工艺相结合，其特征在于：该设计方法利用多孔金属材料的比强度高的特性，通过调整所述多孔金属材料的孔隙率，来进行叶片的工艺、强度、振动、气动热力的耦合设计，从而提高叶片的比强度并且满足叶片边界层流动控制的需求，该设计方法是对风扇或压气机叶片进行设计，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：

1)进行风扇或压气机叶片气动设计，根据航空发动机/燃气轮机总体对部件性能要求得出各叶片排出口沿径向各截面的速度三角形、气动热力参数、级参数和总参数；然后完成叶片型面造型、叶型积叠，最后经全三维粘性流场计算分析验算所得设计结果，如不满足要求，则反复上述过程直到满足气动性能要求为止；在该气动设计过程中，充分利用弯掠三维造型手段以实现先进的气动性能指标；

2)对步骤1)得到的风扇或压气机叶片进行实心金属叶片强度的分析，根据强度分析结果，选取适当的孔隙率分布来设计叶片中间的夹心体，所述孔隙率分布均匀、亦可根据强度的要求设计成非均匀分布，最终的叶片由多孔金属夹心体和外围衬体组成，所述外围衬体为金属衬体或复合材料衬体，所述衬体的外形满足所设计的叶片气动外形，风扇或压气机的外围衬体根据流动控制的需求打孔与夹心体的通孔连通，以实现叶片边界层的抽吸功能；

3)根据多孔金属的本构方程或试验对叶片进行强度分析，并结合结构设计对风扇或压气机部件进行振动分析，如果不满足要求，则回到步骤2)重新调整孔隙率的设计，直到强度、振动满足要求；

4)根据金属材料的特性选择合适的多孔金属加工工艺，以满足叶片夹心体的要求，所述合适的多孔金属加工工艺为添加隔离剂的粉末冶金制备多孔金属方法，并保证所加工的夹心体满足要求；

5)根据设计要求利用机械加工、铸造、超塑成型加工方法加工叶片外围的衬体，并通过焊接、粘接与夹心体连成一体，或在夹心体外围缠绕复合材料形成叶片外形；

6)利用试验方法检验叶片设计加工是否满足要求，如不满足要求，回到步骤1)；如满足要求，则完成设计。

2.一种叶片设计方法，所述叶片为多孔金属材料制成，该设计方法将多孔金属材料与叶片的设计、加工工艺相结合，其特征在于：该设计方法利用多孔金属材料的比强度高的特性，通过调整所述多孔金属材料的孔隙率，来进行叶片的工艺、强度、振动、气动热力的耦合设计，从而提高叶片的比强度并且满足叶片边界层流动控制的需求，该设计方法是对涡轮叶片进行设计，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：

1)进行涡轮叶片气动设计，根据航空发动机/燃气轮机总体对部件性能要求得出各叶片排出口沿径向各截面的速度三角形、气动热力参数、级参数和总参数；然后完成叶片型面造型、叶型积叠，最后经全三维粘性流场计算分析验算所得设计结果，如不满足要求，则反复上述过程直到满足气动性能要求为止；在设计中，充分利用弯掠三维造型手段以实现先进的气动性能指标；

2)对步骤1)得到的叶片进行传统金属材料叶片冷却和传热特性分析，根据所需要的叶片冷却效率，设计涡轮叶片夹心体的孔隙率分布以及主流孔的直径和连通方式，叶片外围衬体由高温合金铸造或其他工艺加工而成，并满足气动外形的设计要求，根据需求，叶片外围衬体打孔与夹心体的通孔连接，以满足叶片表面的气膜冷却或发汗冷却的需求；

3)进行多孔泡沫金属材料叶片冷却和传热特性的分析或试验，以及叶片强度振动特性的分析或试验，如不满足要求，则回到步骤2)重新调整孔隙率的设计，直到强度、振动满足要求；

4)根据金属材料的特性选择合适的多孔金属加工工艺，以满足叶片夹心体的要求，所述合适的多孔金属加工工艺为添加隔离剂的粉末冶金制备多孔金属方法，并保证所加工的夹心体满足要求；

5)根据设计要求利用机械加工、铸造、超塑成型加工方法加工叶片外围的衬体，并通过焊接、粘接与夹心体连成一体，或在夹心体外围缠绕复合材料形成叶片外形；

6)利用试验方法检验叶片设计加工是否满足要求，如不满足要求，回到步骤1)；如满足要求，则完成设计。

3.如权利要求1或2所述的叶片设计方法，在所述设计方法中省去设计步骤5)，从而使用该方法设计得到的多孔金属叶片由夹心体单独构成。

4.一种叶片，其特征在于，所述叶片采用如上述权利要求之一的设计方法设计得到。

5.一种航空发动机，其包括风扇、涡轮和压气机，其特征在于，所述风扇和/或涡轮和/或压气机的叶片采用如权利要求1-3之一的设计方法设计得到。

6.一种燃气轮机，其特征在于，所述燃气轮机的叶片采用如权利要求1-3之一的设计方法进行得到。

7.一种流体机械，该流体机械是风机、汽轮机或压缩机，该流体机械的叶片采用如权利要求1-3之一的设计方法设计得到。

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