CN115640649A

CN115640649A - 一种整体叶盘及其主动失谐减振设计方法

Info

Publication number: CN115640649A
Application number: CN202211400880.2A
Authority: CN
Inventors: 张天紫; 程荣辉; 刘一雄; 陈育志; 李佳; 丛佩红
Original assignee: AECC Shenyang Engine Research Institute
Current assignee: AECC Shenyang Engine Research Institute
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2042-11-09
Also published as: CN115640649B

Abstract

本申请提供了一种整体叶盘主动失谐减振设计方法，所述方法包括：获得整体叶盘上各个叶片的基准频率；通过在所述叶片的叶尖前缘或尾缘进行削角以获得若干个频率较大的削角叶片；在周向上均匀分布若干个所述削角叶片，使得所述整体叶盘的叶片在周向上被分割成若干个隔离区，使所述整体叶盘形成预定的周期对称性频率主峰，从而提高所述整体叶盘的失谐减振效果。本申请提供的整体叶盘主动失谐设计方法在仅小幅改变整体叶盘气动性能的基础上，通过叶尖部位的削角和叶片错频分布，即可确定相对较优的整体叶盘减振方案，减振效果好，该方法可在整体叶盘加工制造完成无法进行叶型调整的情况下，实现整体叶盘的非整阶振动的主动失谐减振设计。

Description

一种整体叶盘及其主动失谐减振设计方法

技术领域

本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种整体叶盘及其主动失谐减振设计方法。

背景技术

整体叶盘是一种可以满足高性能航空发动机而设计的新型结构件，其通过将发动机转子叶片和轮盘形成一体结构，从而省去了传统连结构中榫头、榫槽及锁紧装置等，减少了结构重量及零件数量，避免了榫头气流损失，可以提高气动效率，使发动机结构大为简化。整体叶盘结构已经成为新一代航空发动机风扇和压气机叶片的首选形式。

然而，由于整体叶盘无法设置凸肩、缘板阻尼器等传统干摩擦阻尼结构，同时高性能发动机气动负荷的增加和空心叶片等使得整体叶盘的气动弹性稳定性问题愈发突出，最为显著的就是由气流诱发的叶盘非整阶振动问题，极易带来叶盘高周疲劳破坏问题。

针对整体叶盘的上述问题，现有技术中通常在整体叶盘上设置干摩擦结构——包括阻尼环、阻尼销和阻尼套筒等，虽然这些干摩擦阻尼结构在一定程度上可以通过摩擦耗能的方式来提升叶盘阻尼比，降低整体叶盘的振动应力，但大多只能对一阶弯曲振动进行抑制。然而，由于航空发动机的气动负荷日益增大，叠加更薄和更加复杂的叶片结构，气流诱发叶盘的非整阶振动愈发突出，例如，高阶非整阶振动，在叶盘的叶尖前缘和尾缘振动明显，现有的方法并不能完全的主动抑制叶盘的高阶振动。而现有技术中还提出有一种随机失谐和交替失谐的方法，但随机失谐和交替失谐的效果通常无法预知，存在无法满足高阶非整阶振动的抑制要求的风险，而整体叶盘加工完成后，无法再更改每个叶片的频率，因此，上述方法的实用性差、无法满足工程实际需求。

发明内容

本申请的目的是提供了一种整体叶盘及其主动失谐减振设计方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

本申请的技术方案是：一种整体叶盘主动失谐减振设计方法，所述方法包括：

获得整体叶盘上各个叶片的基准频率；

通过在所述叶片的叶尖前缘或尾缘进行削角以获得若干个频率较大的削角叶片；

在周向上均匀分布若干个所述削角叶片，使得所述整体叶盘的叶片在周向上被分割成若干个隔离区，使所述整体叶盘形成预定的周期对称性频率主峰，从而提高所述整体叶盘的失谐减振效果。

进一步的，获得整体叶盘上各个叶片的基准频率前，对整体叶盘的各个叶片进行编号。

进一步的，所述削角叶片的频率与未削角叶片的频率差满足预定要求，且两者的损失气动性能满足要求。

进一步的，所述削角叶片的频率f_n与未削角的叶片的基准频率f₀满足如下要求：

f₀-f_n＝a，a∈N(μ,σ²)

式中，a为经验值，通常取基准频率f₀的5％～10％，μ表示频率差，σ表示频率差的标准差，削角叶片频率与未削角叶片的频率差服从期望为μ、标准差为σ的高斯分布N。

进一步的，所述削角叶片的数量为奇数。

进一步的，所述削角叶片的数量为3个或5个。

进一步的，当所述整体叶盘的叶片数量大于或等于预定值时，所述削角叶片的数量为5个；当所述整体叶盘的叶片数量小于预定值时，所述削角叶片的数量为3个。

进一步的，所述预定值为30。

进一步的，所述方法还包括：对分布削角叶片的整体叶片进行有限元仿真分析，确定所述整体叶盘的主动失谐减振效果是否满足要求。

另一方面，本申请提供了一种整体叶盘，所述整体叶盘采用如上中任一所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法得到。

本申请提供的整体叶盘主动失谐设计方法在仅小幅改变整体叶盘气动性能的基础上，通过叶尖部位的削角和叶片错频分布，即可确定相对较优的整体叶盘减振方案，减振效果好。该方法可在整体叶盘加工制造完成无法进行叶型调整的情况下，通过叶尖局部削角来实现各个叶片的频率主动控制实现非整阶振动的主动失谐减振设计，对气动性能的影响相对小，实用性强，应用成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，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申请的一些实施例。

图1为本申请的整体叶盘主动失谐减振设计方法流程图。

图2为本申请中的整体叶盘叶片前后缘削角示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了克服现有技术中整体叶盘加工完成后，叶片不能再更改而存在的高阶非整数振动的问题，本申请中提出了一种整体叶盘主动失谐减振设计方法，在整体叶盘的设计阶段即完成整体叶盘的高阶非整数振动抑制问题，提高整体叶盘的高周疲劳寿命。

如图1所示，本申请提供的整体叶盘主动失谐减振设计方法包括如下步骤：

S1、针对整体叶盘的叶片，将整体叶盘的各个叶片进行编号，方便后续对整体叶盘的各个叶片进行分区排布和频率设计；

S2、计算整体叶盘各个叶片对应的单扇段叶盘频率，在此基础上得到各个叶片基准频率f₀。

S3、在步骤S2的单扇段叶盘频率及叶片频率基础上，通过在叶片的叶尖前缘或尾缘进行削角的方式得到若干个频率较大的叶片，其频率为f₁、f₂、…、f_n，叶尖前缘或尾缘削角如图2所示。

其中，叶尖前缘或尾缘削角的叶片频率f_n与叶片基准频率f₀的频率差足够大且不损失气动性能(或损失的气动性能不超过5％)，满足要求如下：f₀-f_n＝a，a∈N(μ,σ²)

式中，a为频率差，μ表示频率差、σ表示频率差的标准差，设计的隔离叶片频率差服从期望为μ、标准差为σ的高斯分布N。

S4、将步骤S3中通过削角得到的频率为f₁～f_n的整体叶盘叶片在叶盘圆周方向上进行大致均匀的排布，从而将整圈的叶片分割成n个隔离区，以此作为打破整体叶盘周期对称性的频率主峰，通过设计带有n个隔离区的整体叶盘结构达到失谐减振效果。

在本申请中，隔离区的数量n(即削角叶片数量)具有一定限制、要控制其数量，由于带有偶数隔离区的整体叶盘周期对称的结构特性仍比较明显，因此，隔离区数量n一般不取偶数。另外如果隔离区数量n的取值大于5，这时整体叶盘的隔离错频的方式则会变为交替错频的方式，这种方式的减振效果不明显。

因此在本申请优选实施例中，隔离区数量n的取值范围为3个或5个，即在整体叶盘上设计3个或5个通过削角形成的较大频率叶片，通过将其在整体叶盘上进行周向均布，从而形成3个或5个带主峰的隔离区域。需要说明的是，对于具有较多叶片数量的整体叶盘结构则可以建立5个隔离区，例如通常叶片数量大于或等于30个才建立5个隔离区；对于具有较少叶片数量的整体叶盘结构，则可以建立3个隔离区。

本申请的整体叶盘主动失谐减振设计方法还包括如下步骤：

S4、完成上述步骤后，通过有限元分析软件，对整体叶盘开展振动特性分析，通过叶尖部位的削角来实现体现上述分析中叶片频率的变化，进而实现整体叶盘的主动失谐设计，并在真实的整体叶盘中按照有限元分析结果来进行削角，达成整体叶盘结构的非整阶振动的主动失谐减振设计。若满足要求，则得到削角位置、削角量、叶片分布序号等数据，整体叶盘加工完成后，按照上述参数进行再次加工，即可得到满足失谐减振要求的整体叶盘；若不满足要求，则调整削角叶片的削角量、削角位置、叶片排布位置等参数，直至满足上述要求。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，所述方法包括：

获得整体叶盘上各个叶片的基准频率；

2.如权利要求1所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，获得整体叶盘上各个叶片的基准频率前，对整体叶盘的各个叶片进行编号。

3.如权利要求1或2所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，所述削角叶片的频率与未削角叶片的频率差满足预定要求，且两者的损失气动性能满足要求。

4.如权利要求3所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，所述削角叶片的频率f_n与未削角的叶片的基准频率f₀满足如下要求：

f₀-f_n＝a，a∈N(μ,σ²)

式中，a为经验值，取基准频率f₀的5％～10％，μ表示频率差，σ表示频率差的标准差，削角叶片频率与未削角叶片的频率差服从期望为μ、标准差为σ的高斯分布N。

5.如权利要求1所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，所述削角叶片的数量为奇数。

6.如权利要求5所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，所述削角叶片的数量为3个或5个。

7.如权利要求6所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，当所述整体叶盘的叶片数量大于或等于预定值时，所述削角叶片的数量为5个；

当所述整体叶盘的叶片数量小于预定值时，所述削角叶片的数量为3个。

8.如权利要求7所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，所述预定值为30。

9.如权利要求8所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法，其特征在于，所述方法还包括：

对分布削角叶片的整体叶片进行有限元仿真分析，确定所述整体叶盘的主动失谐减振效果是否满足要求。

10.一种整体叶盘，其特征在于，所述整体叶盘采用如权利要求1至9中任一所述的整体叶盘主动失谐减振设计方法得到。