CN109611375B - 一种抑制小展弦比静子叶片振动的外环挂钩结构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种抑制小展弦比静子叶片振动的外环挂钩结构，其中所述外环挂钩结构包括前挂钩和后挂钩，通过调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，使得在不改变静子叶片的气动特性和重量的情况下，使叶片最大振动应力最小化。

Description

一种抑制小展弦比静子叶片振动的外环挂钩结构
技术领域
本发明涉及静子叶片的外环挂钩结构，具体地涉及抑制小展弦比静子叶片振动的外环挂钩结构。本发明还涉及抑制小展弦比静子叶片振动的方法。
背景技术
高性能先进风扇叶片以宽弦叶片结构为主，其特点是负荷高、展弦比低，叶片轻薄，这导致其刚度差，频率偏低，极容易发生叶片振动应力偏大的问题。长期以来，对叶片振动进行有效的控制一直是研究人员为之努力的方向。目前，叶片振动抑制技术主要包括以下几种方法：增加阻尼(结构阻尼与气动阻尼)；增加叶片厚度以提高抗高周能力；采用改变叶型、调整叶片数目等方法，将共振点调到工作转速范围以外等。
小展弦比静子叶片的低阶模态振动主要表现为叶身振动，静子叶片缘板无明显运动，因此，在缘板上增加干摩擦阻尼结构、减薄缘板厚度提高结构阻尼等方式的减振效果不佳。增加叶片厚度是提高静子叶片抗高周能力的一种常用途径，但是，当振动应力需要大幅降低时，叶片厚度需要大幅增加，从而叶片重量大幅增加，对性能影响较大。采用改变叶型、调整叶片数目等方法，可以将共振点调到工作转速范围以外等，但叶片叶型与数目的变化会改变叶片的气动特性，且可能增加新的危险振动。
发明内容
发明目的
本发明针对小展弦比静子叶片的振动抑制提出了新的结构解决方案，为抑制小展弦比静子叶片振动、提高小展弦比静子叶片的抗高周疲劳能力提供了行之有效的技术解决途径。
技术方案
提供了一种抑制小展弦比静子叶片振动的外环挂钩结构，其中所述外环挂钩结构包括前挂钩和后挂钩，通过调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，使得在不改变静子叶片的气动特性和重量的情况下，使叶片最大振动应力最小化。
在上述外环挂钩结构中，可以调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，使得叶片最大振动应力降低10％-41％。
在上述外环挂钩结构中，可以将前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离调节为叶片前缘根部与积叠轴的轴向距离的一半。
在上述外环挂钩结构中，可以将后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离调节为叶片后缘根部与积叠轴的轴向距离的一半。
在上述外环挂钩结构中，可以通过有限元模拟确定前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离。
还提供了一种抑制小展弦比静子叶片振动的方法，该方法包括：调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离；和/或调节后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离。
本发明的方法可以还包括：通过有限元模拟确定前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，使得叶片最大振动应力最小化。
有益效果
本发明通过改变小展弦比静子叶片的外环挂钩结构，可以大幅降低静子叶片前、后缘根部的振动应力，抑制静子叶片低阶模态振动，提高静子叶片前、后缘根部抗高周疲劳的能力。本发明仅改变静子叶片的外环挂钩结构，对静子叶片的叶型与叶片的数目没有改动，因此，既不会改变叶片气动特性，又不会额外增加叶片重量，从而在抑制静子叶片振动的同时又避免了对发动机性能的影响。
附图说明
图1采用常规外环挂钩结构的静子叶片的结构与传力示意图；
图2采用本发明的外环挂钩结构的静子叶片结构与传力示意图。
具体实施方式
常规外环挂钩结构的小展弦比静子叶片(如图1)，有很多模态的大振动应力点位于叶片前缘、后缘根部(图1中A、B处)。从传力路径的角度分析，由于载荷是沿刚度大的部位传递，而小展弦比的静子叶片根部厚度大于缘板厚度、叶片根部刚度高于缘板刚度，因此，叶片大部分载荷(F)通过叶片前缘、后缘根部(图1中A、B处)传递到外环前挂钩与后挂钩。图1所示外环挂钩的位置导致大部分载荷必须经过叶片前缘、后缘根部才能传递给挂钩，同时叶片前缘、后缘根部(图1中A、B处)的结构突变又将应力放大，导致叶片前缘、后缘根部的振动应力较高。
本发明对常规叶片外环挂钩结构进行了改进，提供了一种抑制小展弦比静子叶片振动的外环挂钩结构(如图2所示)。其中，本发明所述的外环挂钩结构包括前挂钩和后挂钩，通过调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，将前挂钩、后挂钩位置向叶身积叠轴靠拢，保证前挂钩位于叶身根部前缘(图2中A)与积叠轴之间和/或后挂钩位于叶身根部后缘(图2中B)与积叠轴之间，从而使载荷的主要传力路径避开叶片前缘、后缘根部，以通过远离叶片前缘、后缘的叶型中部传力，同时增加了传力路径的承载面积，使得在不改变静子叶片的气动特性和重量的情况下，有效降低叶片前缘、后缘根部的振动应力。在上述外环挂钩结构中，通过调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，可以使叶片最大振动应力降低10％-41％。
图2中的尺寸D1、D2(其中，D1为前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离，D2为后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，朝向叶身积叠轴方向为正，背离叶身积叠轴方向为负)是关键尺寸，对振动抑制效果影响较大。距离D1主要影响叶片前缘根部A的振动应力，D1越大(即前挂钩越靠近积叠轴)，叶片前缘根部A的振动应力降低越多；距离D2主要影响叶片后缘根部B的振动应力，D2越大(即后挂钩越靠近积叠轴)，叶片后缘根部B的振动应力降低越多。但当前、后挂钩向积叠轴方向移动的距离达到某一临界值时，即将前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离调节为叶片前缘根部与积叠轴的轴向距离的一半、将后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离调节为叶片后缘根部与积叠轴的轴向距离的一半时，叶片同一阶次下的振动应力降低效果达到最佳。
本发明还提供了一种抑制小展弦比静子叶片振动的方法，该方法包括：调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离，和/或调节后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离；前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离可以通过有限元模拟来确定。该方法的一般步骤为：以前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离D1(和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离D2)为自变量，建立多个叶片有限元计算模型，输入叶片的材料参数，保证各模型的计算边界与载荷条件一致，通过有限元计算分析获取不同D1(和/或D2)下叶片的最大振动应力，再以获取的叶片最大振动应力是否满足设计需求来确定合理的D1(和/或D2)。此方法也可用于确定前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，使得在不改变静子叶片的气动特性和重量的情况下，叶片最大振动应力最小化。
本发明对常规静子叶片外环挂钩结构进行了创造性的改进，大幅降低了叶片前缘、后缘根部振动应力，显著抑制叶片振动。该结构具有创新性，给出了结构关键尺寸(图2中的尺寸D1、D2)对叶片振动抑制效果的影响。目前，该发明已应用于黄山发动机风扇静子叶片的振动抑制上，试验证明该减振方法是切实可行的，能够显著抑制叶片振动(叶片最大振动应力降低41％)。

Claims (5)

1.一种抑制小展弦比静子叶片振动的外环挂钩结构，其中所述外环挂钩结构包括前挂钩和后挂钩，通过调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，使得在不改变静子叶片的气动特性和重量的情况下，使叶片最大振动应力最小化，将前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离调节为叶片前缘根部与积叠轴的轴向距离的一半，将后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离调节为叶片后缘根部与积叠轴的轴向距离的一半。
2.根据权利要求1所述的外环挂钩结构，其中，调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，使得叶片最大振动应力降低10-41％。
3.根据权利要求1所述的外环挂钩结构，其中，通过有限元模拟确定前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离。
4.一种抑制小展弦比静子叶片振动的方法，所述方法包括：
调节前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离，将前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离调节为叶片前缘根部与积叠轴的轴向距离的一半；和/或
调节后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，将后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离调节为叶片后缘根部与积叠轴的轴向距离的一半。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述方法还包括：
通过有限元模拟确定前挂钩与叶片前缘根部的轴向距离和/或后挂钩与叶片后缘根部的轴向距离，使得叶片最大振动应力最小化。
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