CN108661948B - 带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片 - Google Patents

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Abstract

一种带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片。其包括叶身、吸振薄板、叶片前缘和叶盘；叶身为大尺寸宽弦无凸肩风扇叶片结构，由叶背和叶盆通过扩散焊接的方法连为一体，下端固定在叶盘上；在叶背中部从叶身前缘向后缘延伸而形成一个开放空腔；吸振薄板设在开放空腔上；叶片前缘安装在叶身的前缘处，下端固定在叶盘上。本发明提供的风扇叶片存在多种减振能量耗散机制，减振频域范围宽、应用范围广、气膜阻尼结构易于实现，能够有效抑制风扇叶片的振动水平。

Description

带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片
技术领域
本发明属于航空发动机和燃气轮机中有关风扇叶片设计技术领域，特别是涉及一种带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片。
背景技术
风扇叶片是航空发动机最具代表性的零件，为适应现代航空发动机的性能需求，许多学者在材料、结构设计等方面对风扇叶片进行了不断的改进，然而风扇叶片振动所导致的疲劳失效是影响航空发动机结构可靠性的关键因素，只有最大限度地抑制风扇叶片的振动水平，才能推动航空发动机减振技术的进一步发展。
早期的航空发动机风扇叶片多为实心、窄弦结构，为了减少风扇叶片的振动疲劳失效，在其叶展中部设置了凸肩阻尼结构。这种结构的优点是能够降低风扇叶片的振动水平、增加风扇叶片刚性并防止气动力的不稳定性；缺点是风扇流道面积减少、压力损失提高、效率降低，由于增加凸肩阻尼会导致风扇叶片重量的增大，使得离心负荷加大，同时风扇叶片的加工工艺也变得更复杂。
目前，大多数大涵道比涡扇发动机已采用罗—罗公司设计的大尺寸宽弦风扇叶片取代带凸肩阻尼的风扇叶片，大尺寸宽弦风扇叶片能够增加空气流量，通过宽弦设计能够增加叶片的强度和稳定性，并利用空心结构减轻风扇叶片重量，风扇叶片在获得极高强度的同时保持极轻的重量，创造性地解决了大涵道比涡扇发动机风扇叶片的设计难题。
随着宽弦风扇叶片尺寸的加大以及航空发动机推力的增加，风扇叶片所受的气动力和其他非稳定激振力也越来越大，由于宽弦风扇叶片缺少足够且有效的减振机制，因此气动力激励会引起风扇叶片振动，从而导致风扇叶片疲劳失效发生的概率大幅增加。另外，由于风扇叶片所受的气动力与航空发动机的实际使用工况相关，因此需要设计一种与气动力激励相关并在很宽的频域范围内能够有效抑制振动的风扇叶片。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片。
为了达到上述目的，本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片包括叶身、吸振薄板、叶片前缘和叶盘；其中叶身为大尺寸宽弦无凸肩风扇叶片结构，由叶背和叶盆通过扩散焊接的方法连为一体，下端固定在叶盘上；在叶背中部从叶身前缘向后缘延伸而形成一个开放空腔，开放空腔的上下端分别安装有上支撑和下支撑；吸振薄板的背面上下端边缘分别固定在上支撑和下支撑上，并且吸振薄板的一侧边和开放空腔的侧面间留有间隙，该间隙称为气体导流槽，同时吸振薄板和开放空腔底面间的空间为气膜层；叶片前缘以可拆卸的方式安装在叶身的前缘处，下端以可拆卸的方式固定在叶盘上，叶片前缘的背面以及与叶身相接触的侧面分别向内凹陷而形成至少一个内部相互连通的L形节流孔，并且节流孔的位置与气膜层侧面相对应，由气体导流槽、气膜层和节流孔形成气膜流道，吸振薄板、节流孔、气膜层和气体导流槽共同构成气膜阻尼结构。
所述的上支撑和下支撑具有不同的厚度，通过调整上支撑和下支撑的厚度能够得到不同厚度的气膜层。
所述的节流孔为沿上下方向形成一列的多个圆孔或椭圆孔，或者是长方形孔。
所述的气膜层的振动波数方程为：
其中，q是气膜层内部气体的振动波数，r是叶片的振动模态特征值，ω是风扇叶片的振动频率，ρ0、p0分别是气体密度、压强，γ是气体的比热容比，κ是气体的复粘滞系数,h是气膜层的宽度；
无量纲阻尼方程为：
其中,F(ω)是气膜的无量纲阻尼，l是气膜层的长度，c0是气体的可压缩参数。
本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片具有如下优点：
(1)本风扇叶片减振频域范围宽，能够在0Hz～1500Hz频域范围内吸收风扇叶片翼面的振动能量，降低风扇叶片的振动水平。
(2)本风扇叶片应用范围广，可通过更换带不同形式节流孔的叶片前缘以适应不同工况的航空发动机，此外，气膜阻尼结构为开发式结构，风扇叶片的减振与航空发动机工况有关，气动载荷激励越大，减振越明显。
(3)本风扇叶片存在多种减振能量耗散机制，减振效果明显，能够有效地抑制风扇叶片的振动水平。
(4)本风扇叶片是一种大尺寸宽弦无凸肩风扇叶片，在叶片前缘设置节流孔，靠近风扇后缘设置气体导流槽，叶身内部为空腔结构，在保证空气流量和结构强度的前提下可大大降低风扇叶片的重量，符合现代航空发动机的减重要求。
(5)本风扇叶片前缘采用分体设计，在叶身中沿叶身前缘到后缘的开放空腔易于加工，气膜阻尼结构易于实现，同时该结构也可用于宽弦复合材料叶片和空心叶片。
附图说明
图1为本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片结构示意图
图2为本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片结构分解示意图。
图3为本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片中叶身及吸振薄板结构示意图。
图4为本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片中具有不同类型节流孔的风扇前缘结构示意图。
图5为本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片与传统风扇叶片减振效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片进行详细说明。
如图1—图3所示，本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片包括叶身1、吸振薄板8、叶片前缘4和叶盘6；其中叶身1为大尺寸宽弦无凸肩风扇叶片结构，由叶背2和叶盆3通过扩散焊接的方法连为一体，下端固定在叶盘6上；在叶背2中部从叶身前缘向后缘延伸而形成一个开放空腔12，开放空腔12的上下端分别安装有上支撑9和下支撑10；吸振薄板8的背面上下端边缘分别固定在上支撑9和下支撑10上，并且吸振薄板8的一侧边和开放空腔12的侧面间留有间隙，该间隙称为气体导流槽7，同时吸振薄板8和开放空腔12底面间的空间为气膜层13；叶片前缘4以可拆卸的方式安装在叶身1的前缘处，下端以可拆卸的方式固定在叶盘6上，叶片前缘4的背面以及与叶身1相接触的侧面分别向内凹陷而形成至少一个内部相互连通的L形节流孔5，并且节流孔5的位置与气膜层13侧面相对应，由气体导流槽7、气膜层13和节流孔5形成气膜流道，吸振薄板8、节流孔5、气膜层13和气体导流槽7共同构成气膜阻尼结构。
所述的上支撑9和下支撑10具有不同的厚度，通过调整上支撑9和下支撑10的厚度能够得到不同厚度的气膜层13。
如图4(a)、(b)和(c)所示，所述的节流孔5为沿上下方向形成一列的多个圆孔5A或椭圆孔5C，或者是长方形孔5B，根据风扇叶片的振动特性和结构材料可以采用带有不同节流孔5的叶片前缘4。
当风扇叶片受到气动力的激励发生振动时，本风扇叶片的减振能量耗散机制有以下6种形式：(1)当外部气体流入节流孔5时，由于节流孔5的局部阻力，使得流体的压力降低，气体激振力会有能量损耗；(2)当风扇叶片受到气动力激励时，吸振薄板8会随叶身1的振动而振动，风扇叶片的振动能量会被振动薄板8吸收；(3)当吸振薄板8随叶身1的振动而振动时，振动薄板8与气膜层13相互作用，使气膜层13内的气体循环流动，气体进行不规则的挤压、振颤，由此以动能的形式耗散风扇叶片振动的能量；(4)气体具有粘性，当气体相互作用以及流经气膜流道壁面时，粘性剪切力也能消耗风扇叶片振动的能量；(5)当气膜层13内的气体受挤压而流出气体导流槽7时，由于气流方向的改变，也会造成能量耗散；(6)气膜层13、节流孔5和气体导流槽7构成的气膜流道与外部气流相通，由于风扇叶片内外气体存在压力差，因此会产生泵吸效应，气体在进出气膜流道的过程中也会耗散振动能量。同时，外部气流与航空发动机工况有关，气动载荷激励越大，内外压力差越大，减振越明显。
如上所述，当风扇叶片受到气动力的激励而发生振动时，将具有多种减振能量耗散机制。根据气膜层13的振动波数方程和无量纲阻尼方程能够得到气膜层的有效尺寸。其中振动波数方程为：
其中，q是气膜层13内部气体的振动波数，r是叶片的振动模态特征值，ω是风扇叶片的振动频率，ρ0、p0分别是气体密度、压强，γ是气体的比热容比，κ是气体的复粘滞系数,h是气膜层13的宽度；
无量纲阻尼方程为：
其中,F(ω)是气膜的无量纲阻尼，l是气膜层13的长度，c0是气体的可压缩参数。
图5为本发明提供的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片与传统风扇叶片振动位移对比图，从图中可以看出，本风扇叶片的减振频域范围宽，能够在0Hz～1500Hz频域范围内吸收风扇叶片翼面的振动能量，降低风扇叶片的振动水平，具有较好的抑振效果。

Claims (2)

1.一种带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片,所述的风扇叶片包括叶身(1)、吸振薄板(8)、叶片前缘(4)和叶盘(6)；其中叶身(1)为大尺寸宽弦无凸肩风扇叶片结构，由叶背(2)和叶盆(3)通过扩散焊接的方法连为一体，下端固定在叶盘(6)上；在叶背(2)中部从叶身前缘向后缘延伸而形成一个开放空腔(12)，开放空腔(12)的上下端分别安装有上支撑(9)和下支撑(10)；吸振薄板(8)的背面上下端边缘分别固定在上支撑(9)和下支撑(10)上，并且吸振薄板(8)的一侧边和开放空腔(12)的侧面间留有间隙，该间隙称为气体导流槽(7)，同时吸振薄板(8)和开放空腔(12)底面间的空间为气膜层(13)；叶片前缘(4)以可拆卸的方式安装在叶身(1)的前缘处，下端以可拆卸的方式固定在叶盘(6)上，叶片前缘(4)的背面以及与叶身(1)相接触的侧面分别向内凹陷而形成至少一个内部相互连通的L形节流孔(5)，并且节流孔(5)的位置与气膜层(13)侧面相对应，由气体导流槽(7)、气膜层(13)和节流孔(5)形成气膜流道，吸振薄板(8)、节流孔(5)、气膜层(13)和气体导流槽(7)共同构成气膜阻尼结构；其特征在于：所述的上支撑(9)和下支撑(10)具有不同的厚度，通过调整上支撑(9)和下支撑(10)的厚度能够得到不同厚度的气膜层(13)。
2.根据权利要求1所述的带节流孔覆盖吸振薄板的气膜阻尼风扇叶片,其特征在于：所述的气膜层(13)的振动波数方程为：
其中，q是气膜层(13)内部气体的振动波数，r是叶片的振动模态特征值，ω是风扇叶片的振动频率，ρ0、p0分别是气体密度、压强，γ是气体的比热容比，κ是气体的复粘滞系数,h是气膜层(13)的宽度；
无量纲阻尼方程为：
其中,F(ω)是气膜的无量纲阻尼，l是气膜层(13)的长度，c0是气体的可压缩参数。
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