CN116221177A - 一种空心风扇叶片减振结构 - Google Patents

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邓瑛
李志强
韩晓宁
张兴振
吴琼
郑远泊
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Abstract

本发明涉及一种空心风扇叶片减振结构，包括蒙皮、加强筋以及减振区，叶片为空心结构，叶片的外部由蒙皮包覆，叶片的内部沿叶片的展向方向设置有加强筋，在叶片展向不同高度设置有减振区，减振区沿着叶片弦向设置，减振区包括连接段和摩擦段，摩擦段贴近蒙皮且与蒙皮的内表面平行，叶片为静止状态时摩擦段与蒙皮之间存在间隙；摩擦段的两侧通过连接段与叶片的内部刚性连接。提出一种基于摩擦减振和避免共振为机理且阻尼大小随叶片振动幅值增加而适应性变化的减振区，减振区同时具有两种减振机制，两种机制随着振动应力增大逐级发挥作用，并能够针对叶片振动应力的大小适应性的调整减振效果，满足空心风扇/压气机叶片对可靠性要求。

Description

一种空心风扇叶片减振结构
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别是涉及一种空心风扇叶片减振结构。
背景技术
风扇/压气机叶片是航空发动机中的核心功能性部件，叶片在工作过程中高速旋转，对空气做功产生推力，其占比超过整机推力的70％以上。但由于叶片的工作特点，导致其结构承受交变载荷，如离心载荷、冲击载荷、转子不平衡力激励载荷等，还可能遇到非设计状态的交变载荷，从而发生共振，使金属材质的叶片出现疲劳损伤，并可能导致异常破坏。
风扇/压气机叶片是发动机中最大、最重的转子叶片，高速旋转使得其自身具有巨大的动能，叶片疲劳破坏后形成的碎片将打伤临近叶片，可能击穿包容机匣、打伤飞机结构，造成不同程度的二次损失，如果打坏液压管路等，可能导致严重的事故。叶片发生振动的原因至少包含以下几方面：交变气流激励、转子不平衡周期力激励以及周期交变流场激励。上述类型的交变载荷作用于叶片，当交变载荷的激励频率与叶片的固有频率一致时，将导致叶片发生共振，叶片变形程度显著增加，在叶片结构上产生巨大的交变应力。因此，如何降低在叶片非设计工作状态下的振动应力至关重要。
工程实践中，应用于风扇/压气机叶片上的阻尼方法主要有两种形式：第一种为气动阻尼，通过增大叶片的宽度、即增加弦长，利用叶片和空气的相对运动提供阻尼，然而这种方式需要经过仔细开展气动设计，如设计偏差，反而会出现气动加载的自激振动，即颤振，对叶片结构完整性危害更大；第二种为在叶片外部增加阻尼材料，通常为橡胶等弹塑性材料，阻尼材料通常位于叶片根部附近，利用叶片振动时结构和阻尼材料之间的相互运动或阻尼材料内部的摩擦损耗耗散能量，然而受制于叶片榫头固定叶尖自由的安装方式，叶片的根部的振幅较小，因而产生的阻尼有限。
先进涡扇发动机中大量采用了钛合金空心风扇叶片，这是一种由蒙皮和加强筋构成的空心夹层结构，常见为两层薄壁蒙皮和连接两层蒙皮之间的加强筋结构，这种拓扑结构的特征叶片在降低叶片结构重量的同时，也使得叶片内部结构具有极强的可设计性，但出于对新结构特性认识不深入的问题，对结构性能的利用仍处于减重的阶段。近年来，采用了上述两种减振措施的空心叶片仍然出现了疲劳破坏，造成了极大的损失，因而迫切需要进一步措施，降低空心风扇/压气机叶片振动应力。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种空心风扇叶片减振结构，解决振动造成空心风扇/压气机叶片出现疲劳损伤，并可能导致异常破坏的技术问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种空心风扇叶片减振结构，包括蒙皮、加强筋以及减振区，所述叶片为空心结构，所述叶片的外部由所述蒙皮包覆，所述叶片的内部沿叶片的展向方向设置有所述加强筋，在叶片展向不同高度设置有减振区，减振区沿着叶片弦向设置，所述减振区包括连接段和摩擦段，所述摩擦段贴近蒙皮且与所述蒙皮的内表面平行，叶片为静止状态时所述摩擦段与所述蒙皮之间存在间隙；所述摩擦段的两侧通过所述连接段与所述叶片的内部刚性连接。
进一步地，所述减振区包括一组或多组，并分别设置在所述叶片展向方向上的一处或多处。
进一步地，所述减振区设置在所述叶片的上部。
进一步地，所述减振区的厚度为0.4～2.0mm。
进一步地，所述减振区沿着叶片弦向分布，减振区展向边界的几何中心线在所述叶片的展向方向上具有弧度。
进一步地，所述间隙小于或等于0.1mm。
进一步地，所述减振区采用钛合金材料。
进一步地，所述减振区的尺寸计算公式为：
Figure BDA0004035741590000031
其中σcr为减振区的临界应力，Fcr为临界载荷，A为减振区的展向截面面积，H为减振区的高度，t为减振区的厚度，E为减振区的弹性模量。
(3)有益效果
综上，本发明利用叶片内部结构特征可设计性强的特点，提出一种基于摩擦减振和避免共振为机理且阻尼大小随叶片振动幅值增加而适应性变化的减振结构，所述减振结构同时具有两种减振机制，两种机制随着振动应力增大逐级发挥作用，并能够针对叶片振动应力的大小适应性的调整减振效果。当叶片振动应力较小时，通过摩擦耗能原理消耗能量，减小振动；在振幅较大并且振动时间较长时，利用摩擦生热，使结构升温导致叶片自身固有特性变化，并改变叶片自身固有频率，当叶片固有频率远离激励频率后消除共振，协同摩擦机制，阻止振动发生，满足空心风扇/压气机叶片对可靠性要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种空心风扇叶片减振结构的总体结构示意图；
图2是图1的A-A截面示意图；
图3是图1的B-B截面示意图；
图中：1、蒙皮；2、加强筋；3、减振区；4、连接段；5、摩擦段；6、间隙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
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。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1～图3所示，本发明的实施例提出了一种空心风扇叶片减振结构，包括蒙皮1、加强筋2以及减振区3，所述叶片为空心结构，所述叶片的外部由所述蒙皮1包覆，所述叶片的内部沿叶片的展向方向设置有所述加强筋2，在叶片展向不同高度设置有减振区3，减振区3沿着叶片弦向设置，所述减振区3包括连接段4和摩擦段5，所述摩擦段5贴近蒙皮1且与所述蒙皮1的内表面平行，叶片为静止状态时所述摩擦段5与所述蒙皮1之间存在间隙6，所述摩擦段5两侧通过所述连接段4与所述叶片的内部刚性连接。
利用叶片内部结构特征可设计性强的特点，提出一种基于摩擦减振和避免共振为机理且阻尼大小随叶片振动幅值增加而适应性变化的减振区3，所述减振区3同时具有两种减振机制，两种机制随着振动应力增大逐级发挥作用，并能够针对叶片振动应力的大小适应性的调整减振效果。
当叶片在工作过程中发生振动，振幅超过某一阈值但振动时间较短时，将触发第一类减振机制：叶片发生弯曲变形，减振区3两端之间的距离缩短，减振区3受到挤压力作用，由于减振区3的厚度小于蒙皮1的厚度，减振区3的变形量大于蒙皮1，且减振区3呈现“C”形，导致摩擦段5与蒙皮1接触，随后两者发生微动摩擦，从而消耗叶片振动能量，叶片振幅降低。
当叶片振动幅值继续增大并且振动时间较长时，将启动第二类减振机制：摩擦段5和蒙皮1之间的相互摩擦随着叶片振幅的增加而进一步加剧，摩擦产生热量，使得蒙皮1局部区域、摩擦段5及其附近区域的温度上升，温度上升导致材料的弹性模量降低，进而使叶片固有特性的改变，外界激励频率和结构固有频率之间的差异增加，即激励频率偏离固有频率，协同摩擦机制，阻止振动发生，满足空心风扇/压气机叶片对可靠性要求。
在一些实施例中，所述减振区3包括一组或多组，并分别设置在所述叶片展向方向上的一处或多处，可以为叶片中的上部、中部和下部。进一步地，所述减振区3设置在所述叶片的上部，由于所述叶片的上部的振动应力相对于其他区域更大，设置在所述叶片的上部，其减振效果更好，但不限于所述减振区3设置在所述叶片的上部。
在一些实施例中，所述减振区3的厚度为0.4～2.0mm，其厚度应当小于所述蒙皮1的厚度，以确保减振区3的变形量大于蒙皮1，在所述叶片发生振动时，摩擦段5与蒙皮1接触，随后两者发生微动摩擦，从而消耗叶片振动能量，叶片振幅降低。
在一些实施例中，所述减振区3沿着叶片弦向分布，减振区3展向边界的几何中心线在所述叶片的展向方向上具有弧度，使所述加强筋2在所述叶片的展向方向上均匀分布，能够减少所述减振区3对所述叶片在展向方向上的结构强度的削弱。
在一些实施例中，所述间隙6小于或等于0.1mm，确保在所述叶片发生振动时，摩擦段5与蒙皮1接触。
在一些实施例中，所述减振区3采用钛合金材料，具有较好的弹性以及吸振效果。
在一些实施例中，所述减振区3的尺寸计算公式为：
Figure BDA0004035741590000051
其中σcr为减振区3的临界应力，Fcr为临界载荷，A为减振区3的展向截面面积，H为减振区3的高度，t为减振区3的厚度，E为减振区3的弹性模量。基于叶片设计准则获得叶片允许的临界应力，结合有限元方法获得该应力对应的叶片振幅，进而根据叶片振幅获得减振区3承受的载荷，通过公式计算获得减振区3结构初始的厚度和高度，基于有限元方法迭代优化，完成结构设计。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种空心风扇叶片减振结构，其特征在于：包括蒙皮、加强筋以及减振区，所述叶片为空心结构，所述叶片的外部由所述蒙皮包覆，所述叶片的内部沿叶片的展向方向设置有所述加强筋，在叶片展向不同高度设置有减振区，减振区沿着叶片弦向设置，所述减振区包括连接段和摩擦段，所述摩擦段贴近蒙皮且与所述蒙皮的内表面平行，叶片为静止状态时所述摩擦段与所述蒙皮之间存在间隙；所述摩擦段的两侧通过所述连接段与所述叶片的内部刚性连接。
2.根据权利要求1所述的一种空心风扇叶片减振结构，其特征在于：所述减振区包括一组或多组，并分别设置在所述叶片展向方向上的一处或多处。
3.根据权利要求2所述的一种空心风扇叶片减振结构，其特征在于：所述减振区设置在所述叶片的上部。
4.根据权利要求1所述的一种空心风扇叶片减振结构，其特征在于：所述减振区的厚度为0.4～2.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种空心风扇叶片减振结构，其特征在于：所述减振区沿着叶片弦向分布，减振区展向边界的几何中心线在所述叶片的展向方向上具有弧度。
6.根据权利要求1所述的一种空心风扇叶片减振结构，其特征在于：所述间隙小于或等于0.1mm。
7.根据权利要求1所述的一种空心风扇叶片减振结构，其特征在于：所述减振区的采用钛合金材料。
8.根据权利要求1所述的一种空心风扇叶片减振结构，其特征在于：所述减振区的尺寸计算公式为：
Figure FDA0004035741580000011
其中σcr为减振区的临界应力，Fcr为临界载荷，A为减振区的展向截面面积，H为减振区的高度，t为减振区的厚度，E为减振区的弹性模量。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117145587A (zh) * 2023-08-17 2023-12-01 中国航发贵州黎阳航空动力有限公司 一种钛合金非连续加强结构空心支板及其超塑扩散连接模具
CN117145587B (zh) * 2023-08-17 2024-04-09 中国航发贵州黎阳航空动力有限公司 一种钛合金非连续加强结构空心支板及其超塑扩散连接模具

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