CN116186943B - 一种基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法，通过调整涡轮叶片伸根结构尺寸参数，可以在不改变叶型的条件下，大幅度改变涡轮叶片的一阶弯曲固有频率，增大涡轮叶片共振裕度，使涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度大于或等于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值，从而在保证发动机气动性能不受影响的前提下规避发动机工作转速范围内的一阶弯曲共振问题，从而可降低发动机涡轮叶片高周疲劳失效故障率。

Description

一种基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法。
背景技术
涡轮叶片作为航空发动机的重要零件，在工作过程中承受气体激振力的作用。当气体激振力的激振频率接近涡轮叶片固有频率时，容易引发涡轮叶片共振，使涡轮叶片产生高周疲劳失效。因此，调整涡轮叶片频率，是避免涡轮叶片发生共振，减少涡轮叶片高周疲劳失效概率的有效手段。
目前航空发动机研制中，常用的调频方法有以下几种：
1）改变涡轮叶片材料
涡轮叶片的固有频率与材料的比刚度（弹性模量与密度之比）正相关，通过选择不同比刚度的涡轮叶片材料，可以调整涡轮叶片频率。
2）改变叶身厚度分布
涡轮叶片由于气动性能设计的需要，具有一定的叶型。通过改变叶根、叶中、叶尖不同截面前缘、中部、尾缘的厚度分布，可以调整涡轮叶片不同部位的比刚度分布，从而起到调整涡轮叶片频率的作用。
3）改变涡轮叶片的约束刚度
某些航空发动机的涡轮叶片和轮盘采用销钉式连接方式，涡轮叶片的弯曲振动频率与销钉孔配合间隙相关。在一定范围内加大配合间隙，可以调整涡轮叶片弯曲振动频率。
但是，上述调频方式对于航空发动机涡轮叶片有很大的局限性。涡轮叶片工作环境处于高温燃气中，为了承受极高的温度载荷，现代先进航空发动机的涡轮叶片材料必须选择具有一定承温能力的高温合金，且材料选择还要考虑加工难度、制造成本等诸多因素，单纯出于调频目的改变材料存在较大困难；涡轮叶片为了承受高温燃气冲击，常采用空心气冷结构，涡轮叶片内部冷却结构复杂，叶身尺寸改变受到很大限制；涡轮叶片与轮盘的连接方式基本都采用枞树型榫头连接，工作状态下轮盘对涡轮叶片的约束刚度难以改变。因此，上述常用的调频方式对于涡轮叶片难以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法，通过改变涡轮叶片伸根的径向高度、轴向长度和周向宽度，可以在不影响气动性能的条件下，大幅度改变涡轮叶片的一阶弯曲固有频率，从而增大叶片共振裕度。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法，包括：
对涡轮叶片开展振动特性分析，获得涡轮叶片一阶弯曲固有频率；
根据涡轮叶片的共振坎贝尔图，获取涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度；
若共振频率裕度小于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值，则调整涡轮叶片伸根径向高度、轴向长度或周向宽度中的至少一个参数，并依据公式
Figure SMS_1
计算调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率；其中，/>
Figure SMS_5
为涡轮叶片的一阶弯曲固有频率，/>
Figure SMS_7
、/>
Figure SMS_3
均为与涡轮叶片结构尺寸相关的经验系数，/>
Figure SMS_9
取值范围为10～30，/>
Figure SMS_11
取值范围为0～1；/>
Figure SMS_12
为涡轮叶片伸根径向高度、/>
Figure SMS_2
为涡轮叶片伸根轴向长度，/>
Figure SMS_6
为涡轮叶片伸根周向宽度，/>
Figure SMS_8
为涡轮叶片叶身径向长度，/>
Figure SMS_10
为涡轮叶片材料的弹性模量，/>
Figure SMS_4
为涡轮叶片材料的密度；
计算调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度，若共振频率裕度小于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值，则继续调整涡轮叶片伸根径向高度、轴向长度或周向宽度中的至少一个参数，直至调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度大于等于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值。
进一步地，调整涡轮叶片伸根尺寸后，创建伸根调整后的涡轮叶片模型和轮盘模型，并对涡轮叶片模型及轮盘模型开展静强度分析，分别获取涡轮叶片和轮盘的静强度储备，若涡轮叶片的静强度储备、轮盘的静强度储备均满足设计要求，则输出伸根调整后的涡轮叶片尺寸；否则调整涡轮叶片伸根径向高度、轴向长度或周向宽度中的至少一个参数，使涡轮叶片的静强度储备、轮盘的静强度储备均满足设计要求。
进一步地，涡轮叶片的静强度储备下限值为1.3，轮盘的静强度储备下限值为1.22。
进一步地，对涡轮叶片开展振动特性分析，获得涡轮叶片一阶弯曲固有频率，包括：
建立涡轮叶片有限元模型，通过有限元计算分析涡轮叶片的振动特性，获取涡轮叶片的一阶弯曲固有频率。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：
本发明通过调整涡轮叶片伸根结构尺寸参数，可以在不改变叶型的条件下，大幅度改变涡轮叶片的一阶弯曲固有频率，增大涡轮叶片共振裕度，使涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度满足涡轮叶片设计要求，从而在保证发动机气动性能不受影响的前提下规避发动机工作转速范围内的一阶弯曲共振问题，从而可降低发动机涡轮叶片高周疲劳失效故障率。
附图说明
图1为实施例中涡轮叶片伸根结构的径向高度
Figure SMS_13
、轴向长度/>
Figure SMS_14
及周向宽度/>
Figure SMS_15
示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
参见图1，一种基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法，包括：
1）对涡轮叶片开展振动特性分析，获得涡轮叶片一阶弯曲固有频率；
开展涡轮叶片振动特性分析获得涡轮叶片一阶弯曲固有频率，可以通过对工作状态下的涡轮叶片进行实际测量的方式获得；也可以是利用仿真分析获得，如本实施例中对涡轮叶片开展振动特性分析，获得涡轮叶片一阶弯曲固有频率，包括：
建立涡轮叶片有限元模型，通过有限元计算分析涡轮叶片的振动特性，获取涡轮叶片的一阶弯曲固有频率。
2）根据涡轮叶片的共振坎贝尔图，获取涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度（（一阶弯曲固有频率-激振频率）/一阶弯曲固有频率）；
3）若共振频率裕度小于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值，则调整涡轮叶片伸根径向高度、轴向长度或周向宽度中的至少一个参数，并依据公式
Figure SMS_17
计算调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率；其中，/>
Figure SMS_22
为涡轮叶片的一阶弯曲固有频率，/>
Figure SMS_26
、/>
Figure SMS_19
均为与涡轮叶片结构尺寸相关的经验系数，/>
Figure SMS_21
取值范围为10～30，/>
Figure SMS_24
取值范围为0～1；如图1中由下到上依次为涡轮叶片的榫头、伸根和叶身，其中/>
Figure SMS_27
为涡轮叶片伸根径向高度、/>
Figure SMS_16
为涡轮叶片伸根轴向长度，/>
Figure SMS_20
为涡轮叶片伸根周向宽度，/>
Figure SMS_23
为涡轮叶片叶身径向长度，/>
Figure SMS_25
为涡轮叶片材料的弹性模量，/>
Figure SMS_18
为涡轮叶片材料的密度；
4）计算调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度，若共振频率裕度小于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值，则继续调整涡轮叶片伸根径向高度、轴向长度或周向宽度中的至少一个参数，直至调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度大于等于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值。
在本实施例中，当涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度小于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值时，可以保持涡轮叶片缘板以上叶身部分尺寸不变，根据涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的差值确定涡轮叶片频率调整方向，根据涡轮叶片一阶弯曲固有频率
Figure SMS_28
确定伸根尺寸调整方案：
若需要提高涡轮叶片的一阶弯曲固有频率，则减小伸根的径向高度
Figure SMS_29
，或增大轴向长度/>
Figure SMS_30
或周向宽度/>
Figure SMS_31
；
若需要降低涡轮叶片一阶弯曲固有频率，则增大伸根的径向高度
Figure SMS_32
，或减小轴向长度/>
Figure SMS_33
或周向宽度/>
Figure SMS_34
；
通过以上方法调整涡轮叶片伸根结构尺寸参数，使涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度在涡轮叶片设计要求的频率裕度范围内。本发明通过调整涡轮叶片伸根结构尺寸参数，可以在不改变叶型的条件下，大幅度改变涡轮叶片的一阶弯曲固有频率，增大涡轮叶片共振裕度，使涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度大于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值，从而在保证发动机气动性能不受影响的前提下规避发动机工作转速范围内的一阶弯曲共振问题，从而可降低发动机涡轮叶片高周疲劳失效故障率。
本实施例在调整涡轮叶片伸根尺寸后，通过创建伸根调整后的涡轮叶片模型和轮盘模型，并对涡轮叶片模型及轮盘模型开展静强度分析，获取涡轮叶片和轮盘的静强度储备，若涡轮叶片的静强度储备、轮盘的静强度储备均满足设计要求，则输出伸根调整后的涡轮叶片尺寸；否则调整涡轮叶片伸根径向高度
Figure SMS_35
、轴向长度/>
Figure SMS_36
或周向宽度/>
Figure SMS_37
中的至少一个参数，使共振频率裕度在涡轮叶片设计要求的频率裕度范围内，且涡轮叶片的静强度储备、轮盘的静强度储备均满足设计要求。本实施例中选用的涡轮叶片的静强度储备下限值为1.3，轮盘的静强度储备下限值为1.22。
本发明的涡轮叶片调频方法已经在某型航空发动机低压涡轮叶片设计中进行应用时，通过调整涡轮叶片伸根结构尺寸参数，在不影响叶片气动性能的情况下，叶片频率调整幅度达到15%（常规航空发动机共振频率裕度下限阈值为10%），取得了良好效果。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法，其特征在于，包括：
对涡轮叶片开展振动特性分析，获得涡轮叶片一阶弯曲固有频率；
根据涡轮叶片的共振坎贝尔图，获取涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度；
若共振频率裕度小于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值，则调整涡轮叶片伸根径向高度、轴向长度或周向宽度中的至少一个参数，并依据公式
Figure QLYQS_2
计算调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率；其中，/>
Figure QLYQS_5
为涡轮叶片的一阶弯曲固有频率，/>
Figure QLYQS_8
、/>
Figure QLYQS_4
均为与涡轮叶片结构尺寸相关的经验系数，/>
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取值范围为10～30，/>
Figure QLYQS_9
取值范围为0～1；/>
Figure QLYQS_11
为涡轮叶片伸根径向高度、/>
Figure QLYQS_1
为涡轮叶片伸根轴向长度，/>
Figure QLYQS_7
为涡轮叶片伸根周向宽度，/>
Figure QLYQS_10
为涡轮叶片叶身径向长度，/>
Figure QLYQS_12
为涡轮叶片材料的弹性模量，/>
Figure QLYQS_3
为涡轮叶片材料的密度；
计算调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度，若共振频率裕度小于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值，则继续调整涡轮叶片伸根径向高度、轴向长度或周向宽度中的至少一个参数，直至调整后的涡轮叶片一阶弯曲固有频率与激振频率之间的共振频率裕度大于等于涡轮叶片设计要求的频率裕度下限阈值。
2.根据权利要求1所述基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法，其特征在于，调整涡轮叶片伸根尺寸后，创建伸根调整后的涡轮叶片模型和轮盘模型，并对涡轮叶片模型及轮盘模型开展静强度分析，分别获取涡轮叶片和轮盘的静强度储备，若涡轮叶片的静强度储备、轮盘的静强度储备均满足设计要求，则输出伸根调整后的涡轮叶片尺寸；否则调整涡轮叶片伸根径向高度、轴向长度或周向宽度中的至少一个参数，使涡轮叶片的静强度储备、轮盘的静强度储备均满足设计要求。
3.根据权利要求2所述基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法，其特征在于，涡轮叶片的静强度储备下限值为1.3，轮盘的静强度储备下限值为1.22。
4.根据权利要求2所述基于伸根结构参数调整的涡轮叶片调频方法，其特征在于，对涡轮叶片开展振动特性分析，获得涡轮叶片一阶弯曲固有频率，包括：
建立涡轮叶片有限元模型，通过有限元计算分析涡轮叶片的振动特性，获取涡轮叶片的一阶弯曲固有频率。
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