CN110185498A - 防轮盘爆裂叶片及其薄弱结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防轮盘爆裂叶片及其薄弱结构的设计方法，防轮盘爆裂叶片，用于与轮盘配合，叶片包括榫头、伸根、缘板和叶身，叶片上的叶身处设有用于保证叶片先于轮盘断裂并飞脱的薄弱结构。本发明的防轮盘爆裂叶片，叶片上的叶身处设有薄弱结构，降低叶片的断裂飞脱临界转速，并低于轮盘临界破裂转速，使得叶片先于轮盘断裂并飞脱。并且，薄弱结构设置在叶片的叶身上，断裂并飞脱的叶片质量减小，有效降低飞断的叶片动能，避免轮盘爆裂危害发动机的后果，同时又减轻了机匣重量，有利于提高发动机推(功)重比和降低油耗率。

Description

防轮盘爆裂叶片及其薄弱结构的设计方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别地，涉及一种防轮盘爆裂叶片。此外，本发明还涉及一种包括上述防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法。

背景技术

航空涡轴发动机中的涡轮是一种高速旋转的复杂热动力机械，其包含大量的高速转子部件。若这些转子部件由于存在制造缺陷、受到外物撞击或者材料受到疲劳的影响而发生轮盘破裂、叶片断裂飞脱等故障，飞断的转子碎片将在离心力的作用下以极高的速度飞出撞击机匣，对机匣造成剧烈的冲击和严重的损伤。若机匣强度不够，不足以将飞断的转子碎片包容在其内部，碎片将有可能击穿机匣，飞出发动机，使发动机失去动力。轮盘是航空涡轴发动机涡轮中的重要零件，由于发动机在加速过程中转速瞬时超过、控制系统失灵、轴断裂或其他异常原因，均可能导致轮盘超转，甚至破裂。涡轮叶片环绕并紧固在轮盘周围，随着轮盘高速旋转，叶片在高速旋转下假如发生飞脱断裂，机匣可以包容飞脱的叶片碎片，防止非包容事故带来的危害。

用于航空发动机或其他燃气涡轮发动机中实现叶片脱落防止轮盘破裂的机械超转保护功能，同时外围机匣能包容住脱落的叶片，即在涡轮叶片上设计一个“薄弱”截面，一旦发动机失去负荷，涡轮转子超转到一定转速后，叶片在该“薄弱”截面处脱落，从而使轮盘失去转速继续上升的动力，避免了轮盘超转破裂或脱落叶片击穿机匣带来的危害发动机后果。现有的基于伸根截面脱落的防轮盘爆裂技术设计的叶片，由于脱落叶片质量大，同样脱落转速下飞脱叶片的动能更大，往往需要设计更厚的机匣抵抗飞脱叶片的动能，来防止危害发动机的非包容事故。机匣加厚急剧增加了机匣重量，降低了发动机推(功)重比，增加了发动机耗油率。

发明内容

本发明提供了一种防轮盘爆裂叶片及其薄弱结构的设计方法，以解决现有技术中的“薄弱”截面，往往需要设计更厚的机匣抵抗飞脱叶片的动能，发动机耗油率高的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种防轮盘爆裂叶片，用于与轮盘配合，叶片包括榫头、伸根、缘板和叶身，叶片上的叶身处设有用于保证叶片先于轮盘断裂并飞脱的薄弱结构。

进一步地，薄弱结构处于叶身上靠近缘板的一端。

进一步地，薄弱结构在叶身上为一个。

进一步地，薄弱结构为叶身各截面应力逐渐变大和叶身抵抗破坏的能力逐渐变弱的薄弱结构。

根据本发明的另一方面，还提供了一种防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，包括以下步骤：

S1：基于叶身断裂时的飞脱转速预定薄弱结构处的等效应力σ₀；

S2：预设薄弱结构处的初始拉伸应力σ_拉伸应力参数，初始拉伸应力σ_拉伸应力参数包括：叶片断裂后薄弱结构截面所受到的离心力，叶片断裂的薄弱结构处的横截面积；

S3：获取薄弱结构上的飞脱叶身质心到薄弱结构处断裂截面形心的离心弯矩参数和薄弱结构上的飞脱叶身的气动载荷对断裂的薄弱结构形成的气动弯矩参数，通过有限元建立断裂薄弱结构的横截面的梁单元模型，获得预设工况下的初始弯曲应力σ_弯曲应力；

S4：检查S1中的σ₀、S2中的σ_拉伸应力和S3中的σ_弯曲应力是否满足等式σ₀＝K*σ_弯曲应力+σ_拉伸应力，其中K为常数，0＜K＜1；

S5：如若不满足，修正断裂薄弱结构的横截面积和薄弱结构上的飞脱叶身质心到薄弱结构断裂截面形心的相对位置，迭代步骤S2和步骤S3，直至满足等式要求，将符合上述等式要求的参数在叶身上对薄弱结构进行准确定位，完成防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计。

进一步地，步骤S3中的离心弯矩参数包括M⁰ _xL和M⁰ _yL；步骤S3中的气动弯矩参数包括M⁰ _xQ和M⁰ _yQ。

进一步地，步骤S2中初始拉伸应力σ_拉伸应力的计算公式如下：

σ_拉伸应力＝F/S＝mrw²/S，

其中，F为叶片断裂时薄弱结构截面所受到的离心力，S为叶片断裂后薄弱结构的横截面积；m为叶片断裂后飞脱叶身的质量，r为薄弱结构上的飞脱叶身质心到转子旋转中心的距离，w为叶片的转速。

进一步地，步骤S1中等效应力σ₀的计算公式如下：

N_blade＝N₀*(σ_b/σ₀)^0.5，

其中，N_blade为叶片飞脱转速，N₀为叶片设计转速，σ_b为叶片材料极限。

进一步地，叶片飞脱转速N_blade的计算公式如下：

N_blade＝N_disk/n，

其中，N_disk为轮盘破裂转速，n为轮盘破裂转速与叶片飞脱转速的设计裕度。

进一步地，叶片飞脱转速N_blade小于轮盘破裂转速N_disk。

本发明具有以下有益效果：

本发明的防轮盘爆裂叶片，叶片上的叶身处设有薄弱结构，降低叶片的断裂飞脱临界转速，并低于轮盘临界破裂转速，使得叶片先于轮盘断裂并飞脱。并且，薄弱结构设置在叶片的叶身上，断裂并飞脱的叶片重量减小，有效降低飞断的叶片动能，避免轮盘爆裂的危害发动机后果，同时又减轻了机匣重量，有利于提高发动机推(功)重比和降低油耗率。另外，叶身相比于伸根部位，薄弱结构更薄，当叶片飞脱断裂时，轮盘转速相对较低，受到的离心力减小，避免了轮盘破裂，有效的防止非包容事故的发生，保障飞机发动机的安全可靠性能。通过对机匣包容性的计算分析，本发明的防轮盘爆裂叶片与现有技术的叶片相比：飞出叶片重量(动能)降低20％～30％，机匣厚度减少10％～15％，机匣重量可减轻10％～15％。目前本发明的防轮盘爆裂叶片已在某涡桨发动机上成功应用。

本发明的防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，在叶身上预设防轮盘爆裂叶片的薄弱结构，叶片断裂后薄弱结构截面所受到的离心力，飞脱叶身质心到断裂截面形心的离心弯矩，同时由于叶身薄弱结构处的截面相对伸根截面较薄，气动载荷对叶身应力影响不能再忽略，因此在叶身位置设置薄弱结构时，飞脱叶身的气动载荷对断裂的薄弱结构形成的气动弯矩，综合考虑以上三种主要载荷下调整薄弱结构的应力状态，模拟设计方法和真实结构，提高薄弱结构的可靠性，实现精细化设计需要，降低重量和材料用量，节省制造成本。也能有效减少现场调参的试错次数，降低调试周期，节省人力成本。仅对叶身设计薄弱结构，不需要其他加工工序，也不需要增加其他附加结构，即可实现叶片先于轮盘断裂并飞脱，设计方法简单、成本低廉、易于实施。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的防轮盘爆裂叶片示意图。

附图标记说明：

1、叶片；11、叶身；12、缘板；13、伸根；14、榫头；111、薄弱结构；112、飞脱叶身；113残余叶身。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明优选实施例的防轮盘爆裂叶片示意图。

如图1所示，本实施例的防轮盘爆裂叶片，用于与轮盘配合，叶片1包括榫头14、伸根13、缘板12和叶身11，叶片1上的叶身11处设有用于保证叶片1先于轮盘断裂并飞脱的薄弱结构111。本发明的防轮盘爆裂叶片，叶片1上的叶身11处设有薄弱结构111，降低叶片1的断裂飞脱临界转速，并低于轮盘临界破裂转速，使得叶片1先于轮盘断裂并飞脱。并且，薄弱结构111设置在叶片1的叶身11上，断裂并飞脱的叶片1重量减小，有效降低飞断的叶片1动能，避免轮盘爆裂的危害发动机后果，同时又减轻了机匣重量，有利于提高发动机推(功)重比和降低油耗率。另外，叶身11相比于伸根13部位，薄弱结构111更薄，当叶片1飞脱断裂时，轮盘转速相对较低，受到的离心力减小，避免了轮盘破裂，有效的防止非包容事故的发生，保障飞机发动机的安全可靠性能。通过对机匣包容性的计算分析，本发明的防轮盘爆裂叶片与现有技术的叶片相比：飞出叶片1重量(动能)降低20％～30％，机匣厚度减少10％～15％，机匣重量可减轻10％～15％。目前本发明的防轮盘爆裂叶片已在某涡桨发动机上成功应用。

本实施例中，薄弱结构111处于叶身11上靠近缘板12的一端。通过防轮盘爆裂叶片的薄弱结构111的预设计，经过有限次的计算，准确定位薄弱结构111处于叶身11上靠近缘板12的部位，使得叶片1在指定或者适宜的转速下进行飞脱，避免叶片1断裂飞脱临界转速与轮盘临界破裂转速相差较大，保证轮盘正常工作不失效，提高叶片1的实用性能。如果薄弱结构111处于远离缘板12的一端，飞脱后残余叶身113，即薄弱结构111的截面到缘板12部分，还可能继续在气动载荷作用下做功，导致轮盘超转破裂。

本实施例中，薄弱结构111在叶身11上为一个或多个。优选地，薄弱结构111为多个，当轮盘带动叶片1转速达到断裂和飞脱的极限值时，防止某一个薄弱结构111未发生断裂，而损坏轮盘。

本实施例中，薄弱结构111为叶身11各截面应力逐渐变大和叶身11抵抗破坏的能力逐渐变弱的薄弱结构。薄弱结构111为多样式结构，即薄弱结构111处的厚度或宽度使其薄弱结构111横截面积上应力低于其他部位的应力。也就是说，通过控制薄弱结构111的大小、宽度或厚度，可以改变叶身11断裂飞脱的具体位置。

根据本发明的另一方面，还提供了一种防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，包括以下步骤：

S1：基于叶身11断裂时的飞脱转速确定薄弱结构111处的等效应力σ₀；

S2：预设薄弱结构111处的初始拉伸应力σ_拉伸应力参数，初始拉伸应力σ_拉伸应力参数包括：叶片1断裂后薄弱结构111截面所受到的离心力，叶片1断裂的薄弱结构111处的横截面积；

S3：获取薄弱结构111上的飞脱叶身112的离心力到薄弱结构111处断裂截面形心的离心弯矩参数和薄弱结构111上的飞脱叶身112的气动载荷对断裂的薄弱结构111形成的气动弯矩参数，通过有限元建立断裂薄弱结构111的横截面的梁单元模型，获得预设工况下的初始弯曲应力σ_弯曲应力；

S4：检查S1中的σ₀、S2中的σ_拉伸应力和S3中的σ_{拉伸合应力}是否满足等式σ₀＝K*σ_弯曲应力+σ_拉伸应力，其中K为常数，0＜K＜1；

S5：如若不满足，修正断裂薄弱结构111的横截面积和薄弱结构111上的飞脱叶身112质心到薄弱结构111断裂截面形心的相对位置，迭代步骤S2和步骤S3，直至满足等式要求，将符合上述等式要求的参数在叶身11上对薄弱结构111进行准确定位，完成防轮盘爆裂叶片的薄弱结构111的设计。

本发明的防轮盘爆裂叶片的薄弱结构111的设计方法，叶身11预设防轮盘爆裂叶片的薄弱结构111，叶片1断裂后薄弱结构111截面所受到的离心力，飞脱叶身112质心到断裂截面形心的离心弯矩，同时由于叶身11的薄弱结构111处的截面相对伸根13截面较薄，气动载荷对叶身11应力影响不能再忽略，因此在叶身11位置设置薄弱结构111时，飞脱叶身112的气动载荷对断裂的薄弱结构111形成的气动弯矩，综合考虑以上三种主要载荷下调整薄弱结构111的应力状态，模拟设计方法和真实结构，提高薄弱结构111的可靠性，实现精细化设计需要，降低重量和材料用量，节省制造成本。也能有效减少现场调参的试错次数，降低调试周期，节省人力成本。仅对叶身设计薄弱结构111，不需要其他加工工序，也不需要增加其他附加结构，即可实现叶片1先于轮盘断裂并飞脱，设计方法简单、成本低廉、易于实施。

本实施例中，步骤S3中的离心弯矩参数包括M⁰ _xL和M⁰ _yL。步骤S3中的气动弯矩参数包括M⁰ _xQ和M⁰ _yQ。飞脱叶身112的质心到薄弱结构111处断裂截面形心在x方向上偏差△x，飞脱叶身112产生的离心载荷乘以偏心距△x得到离心弯矩M⁰ _xL；飞脱叶身112质心到薄弱结构111处断裂截面形心在y方向上偏差△y，飞脱叶身112产生的离心载荷乘以偏心距△y得到离心弯矩M⁰ _yL；飞脱叶身112的质心到薄弱结构111处断裂截面形心在x方向上偏差△x，飞脱叶身112上的气动载荷乘以偏心距△x得到气动弯矩M⁰ _xQ；飞脱叶身112的质心到薄弱结构111处断裂截面形心在y方向上偏差△y，飞脱叶身112上的气动载荷乘以偏心距△y得到气动弯矩M⁰ _yQ。M⁰ _xL、M⁰ _yL、M⁰ _xQ、M⁰ _yQ是飞断叶身上离心载荷、气动载荷作用在薄弱截面上的弯矩，通过调整离心弯矩和气动弯矩改变薄弱截面的弯曲应力σ_弯曲应力，在相同薄弱截面111的面积时，可改变薄弱截面111的位置；或可根据薄弱截面111的位置，改变薄弱截面111的面积。

本实施例中，步骤S2中初始拉伸应力σ_拉伸应力的计算公式如下：

σ_拉伸应力＝F/S＝mrw²/S，

其中，F为叶片1断裂时薄弱结构111截面所受到的离心力，S为叶片1断裂后薄弱结构111的横截面积；m为叶片1断裂后飞脱叶身112的质量，r为薄弱结构111上的飞脱叶身112质心到转子旋转中心的距离，w为叶片1的转速。σ_拉伸应力是飞脱叶身112离心载荷对薄弱结构111截面产生的拉伸应力；是薄弱结构111截面承受的主要应力之一。σ_拉伸应力与离心弯矩M⁰ _xL、M⁰ _yL、气动弯矩M⁰ _xQ、M⁰ _yQ共同作用实现叶片飞脱。

本实施例中，步骤S1中等效应力σ₀的计算公式如下：

N_blade＝N₀*(σ_b/σ₀)^0.5

其中，N_blade为叶片1飞脱转速，N₀为叶片1设计转速，σ_b为叶片1材料极限。上述等效应力σ₀在设计转速和指定材料的条件下，等效应力σ₀为确定值。因此，依据不同的发动机特性，等效应力σ₀也随之改变，进一步修正断裂薄弱结构111，保证轮盘正常工作不失效，提高叶片1的实用性能。等效应力σ₀反映的是薄弱结构111在离心和气动复合载荷下的真实应力状态，等效应力σ₀越大，薄弱环节111处对应的叶片1飞脱转速越低。因此，等效应力σ₀决定了飞脱转速。

本实施例中，叶片1飞脱转速N_blade的计算公式如下：

N_blade＝N_disk/n，

其中，N_disk为轮盘破裂转速，n为轮盘破裂转速与叶片1飞脱转速的设计裕度。

本实施例中，叶片1飞脱转速N_blade小于轮盘破裂转速N_disk。避免轮盘超转破裂。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防轮盘爆裂叶片，用于与轮盘配合，叶片(1)包括榫头(14)、伸根(13)、缘板(12)和叶身(11)，其特征在于，

所述叶片(1)上的叶身(11)处设有用于保证所述叶片(1)先于所述轮盘断裂并飞脱的薄弱结构(111)。

2.根据权利要求1所述的防轮盘爆裂叶片，其特征在于，

所述薄弱结构(111)处于所述叶身(11)上靠近所述缘板(12)的一端。

3.根据权利要求1所述的防轮盘爆裂叶片，其特征在于，

所述薄弱结构(111)在所述叶身(11)上为一个或多个。

4.根据权利要求1所述的防轮盘爆裂叶片，其特征在于，

所述薄弱结构(111)为所述叶身(11)各截面应力逐渐变大和所述叶身(11)抵抗破坏的能力逐渐变弱的薄弱结构。

5.一种根据权利要求1至4任一项所述的防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于叶身(11)断裂时的飞脱转速预定薄弱结构(111)处的等效应力σ₀；

S2：预设所述薄弱结构(111)处的初始拉伸应力σ_拉伸应力参数，所述初始拉伸应力σ_拉伸应力参数包括：叶片(1)断裂后所述薄弱结构(111)截面所受到的离心力，所述叶片(1)断裂的所述薄弱结构(111)处的横截面积；

S3：获取所述薄弱结构(111)上的飞脱叶身(112)质心到所述薄弱结构(111)处断裂截面形心的离心弯矩参数和所述薄弱结构(111)上的所述飞脱叶身(112)的气动载荷对断裂的所述薄弱结构(111)形成的气动弯矩参数，通过有限元建立断裂所述薄弱结构(111)的横截面的梁单元模型，获得预设工况下的初始弯曲应力σ_弯曲应力；

S4：检查所述S1中的σ₀、所述S2中的σ_拉伸应力和所述S3中的σ_弯曲应力是否满足等式σ₀＝K*σ_弯曲应力+σ_拉伸应力，其中K为常数，0＜K＜1；

S5：如若不满足，修正断裂所述薄弱结构(111)的横截面积和所述薄弱结构(111)上的所述飞脱叶身(112)质心到所述薄弱结构(111)断裂截面形心的相对位置，迭代所述步骤S2和所述步骤S3，直至满足等式要求，将符合上述等式要求的参数在所述叶身上对所述薄弱结构(111)进行准确定位，完成所述防轮盘爆裂叶片的所述薄弱结构(111)的设计。

6.根据权利要求5所述的防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，其特征在于，

所述步骤S3中的离心弯矩参数包括M⁰ _xL和M⁰ _yL；

所述步骤S3中的气动弯矩参数包括M⁰ _xQ和M⁰ _yQ。

7.根据权利要求5所述的防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，其特征在于，

所述步骤S2中初始拉伸应力σ_拉伸应力的计算公式如下：

σ_拉伸应力＝F/S＝mrw²/S，

其中，F为所述叶片(1)断裂时所述薄弱结构(111)截面所受到的离心力，S为所述叶片(1)断裂后所述薄弱结构(111)的横截面积；m为所述叶片(1)断裂后所述飞脱叶身(112)的质量，r为所述薄弱结构(111)上的所述飞脱叶身(112)质心到转子旋转中心的距离，w为所述叶片(1)的转速。

8.根据权利要求5所述的防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，其特征在于，

所述步骤S1中等效应力σ₀的计算公式如下：

N_blade＝N₀*(σ_b/σ₀)^0.5，

其中，N_blade为所述叶片(1)断裂时的飞脱转速，N₀为所述叶片(1)设计转速，σ_b为所述叶片(1)材料极限。

9.根据权利要求8所述的防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，其特征在于，

所述叶片(1)飞脱转速N_blade的计算公式如下：

N_blade＝N_disk/n，

其中，N_disk为轮盘破裂转速，n为所述轮盘破裂转速与所述叶片(1)飞脱转速的设计裕度。

10.根据权利要求9所述的防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，其特征在于，

所述叶片(1)飞脱转速N_blade小于所述轮盘破裂转速N_disk。