CN116680840B - 一种压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，通过建立可调导叶简化模型及其关键截面，然后对简化模型的各个关键截面进行受力分析和应力分析，以此获得了简化模型的上轴颈、上圆台、下轴颈与下圆台尺寸与最大名义应力的关系，可快速实现可调导叶关键尺寸定型，降低设计迭代时间。通过选取第一许用振动应力不超过第一预设阈值对应的可调导叶轴颈与圆台结构，通过古德曼图确定满足可调导叶振动疲劳要求的实际许用振动应力，获得满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求的轴颈与圆台详细尺寸方案，可达到指导可调导叶的结构强度设计的目的，且能确保可调导叶在设计工作状态下不易产生振动疲劳裂纹。

Description

一种压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法。
背景技术
可调压气机导叶能解决非设计工况下的失速和喘振问题，因此压气机前几级导叶常设计为可调结构。压气机可调导叶相对于普通不可调导叶，其主要的差别在于载荷和边界的差异性。
载荷方面，可调导叶在弯曲载荷的基础上，会额外增加由转动、摩擦产生的附加扭矩，这种附加扭矩会在轴颈与圆台等刚度突变位置，产生较大稳态应力，影响叶片许用振动应力强度，叶片更容易产生振动疲劳裂纹，压气机可调导叶轴颈与圆台的设计直接影响发动机使用与安全。
边界方面，普通导叶常见为两端固支类型，压气机可调导叶有一端固支，另一端悬臂、夹支和固支三种不同类型，不同的约束边界会产生不同的稳态应力，这导致了可调导叶轴颈与圆台设计具有较高的复杂性。
亟需开展对可调导叶轴颈和圆台的强度设计方法开展研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，可快速实现可调导叶关键尺寸定型，降低设计迭代时间，且能获得满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求的轴颈与圆台详细尺寸方案，可达到指导可调导叶的结构强度设计的目的，确保可调导叶在设计工作状态下不易产生振动疲劳裂纹。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，包括：
根据可调导叶轴颈与圆台结构尺寸，建立可调导叶的轴颈与圆台的简化模型，所述简化模型包括上轴颈、上圆台、平板叶身、下圆台和下轴颈；
开展不同上轴颈、上圆台、下圆台和下轴颈尺寸下的简化模型的关键截面进行受力分析，获得对应简化模型尺寸下关键截面的弯矩、扭矩，所述关键截面包括上轴颈与上圆台的第一转接面、上圆台与平板叶身的第二转接面、平板叶身与下圆台的第三转接面以及下圆台与下轴颈的第四转接面；
根据关键截面的弯矩、扭矩进行关键截面应力分析，获得各关键截面最大名义应力；
根据应力集中系数，将各关键截面最大名义应力转化为点应力，并通过可调导叶材料古德曼曲线，获得点应力对应的第一许用振动应力；
选取第一许用振动应力不超过第一预设阈值对应的可调导叶轴颈与圆台结构，采用有限元进行静应力分析，获得各关键截面最大点应力；
通过古德曼曲线，获得各关键截面最大点应力对应的实际许用振动应力；
选取实际许用振动应力不超过第二预设阈值的上轴颈、上圆台、下圆台和下轴颈尺寸，作为满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求的对应的压气机轴颈与圆台尺寸。
进一步地，各关键截面最大名义应力对应的点应力根据式/>分析获得，其中/>为应力集中系数，/>表示第/>转接面最大名义应力，/>=1、2、3、4，/>=1代表第一转接面，/>=2代表第二转接面，/>=3代表第三转接面，/>=4代表第四转接面；然后根据许用振动应力储备系数/>，将第/>转接面的点应力代入曲线/>中获得各关键截面点应力对应的第一许用振动应力，其中/>为可调导叶材料古德曼曲线。
进一步地，上轴颈与上圆台的第一转接面最大名义应力根据计算式分析获得，其中/>为第一转接面弯矩，/>为上轴颈直径，为第一转接面扭矩，/>为圆周率。
进一步地，上圆台与平板叶身的第二转接面最大名义应力根据计算式分析获得，其中/>为第二转接面弯矩，/>为上圆台直径，/>为第二转接面扭矩，/>为圆周率，/>为平板叶身厚度。
进一步地，平板叶身与下圆台的第三转接面最大名义应力根据计算式分析获得，其中/>为第三转接面弯矩，/>为下圆台直径，/>为第三转接面扭矩，/>为圆周率，/>为平板叶身厚度。
进一步地，下圆台与下轴颈的第四转接面最大名义应力根据计算式分析获得，其中/>为第四转接面弯矩，/>为下轴颈直径，为第四转接面扭矩，/>为圆周率。
进一步地，根据许用振动应力储备系数，将第/>转接面的点应力代入曲线中获得各关键截面点应力对应的第一许用振动应力，其中/>为可调导叶材料古德曼曲线。
进一步地，所述简化模型中平板叶身的厚度为可调导叶最大厚度。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：
1.本发明通过建立可调导叶简化模型，并获得简化模型的关键截面；然后对简化模型的各个关键截面进行受力分析和应力分析，以此获得了简化模型的上轴颈、上圆台、下轴颈与下圆台尺寸与最大名义应力的关系，可快速实现可调导叶关键尺寸定型，降低设计迭代时间。
2.通过选取第一许用振动应力不超过第一预设阈值对应的可调导叶轴颈与圆台结构，采用有限元进行静强度分析，通过古德曼图确定满足可调导叶振动疲劳要求的实际许用振动应力，以此获得满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求的轴颈与圆台详细尺寸方案，可达到指导可调导叶的结构强度设计的目的，且能确保可调导叶在设计工作状态下不易产生振动疲劳裂纹。
附图说明
图1为实施例1或2中压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法流程图；
图2为实施例1或2中可调导叶轴颈与圆台结构简化模型示意图；
图3为实施例2中可调导叶材料古德曼曲线示意图；
其中，1、上轴颈；2、上圆台；3、平板叶身；4、下圆台；5、下轴颈。
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1
参见图1、图2，一种压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，包括：
根据可调导叶轴颈与圆台结构尺寸，建立可调导叶的轴颈与圆台的简化模型，所述简化模型包括上轴颈1、上圆台2、平板叶身3、下圆台4和下轴颈5；
开展不同上轴颈1、上圆台2、下圆台4和下轴颈5尺寸下的简化模型的关键截面进行受力分析，获得对应简化模型尺寸下关键截面的弯矩、扭矩，所述关键截面包括上轴颈1与上圆台2的第一转接面、上圆台2与平板叶身3的第二转接面、平板叶身3与下圆台4的第三转接面以及下圆台4与下轴颈5的第四转接面；
根据关键截面的弯矩、扭矩进行关键截面应力分析，获得各关键截面最大名义应力；
根据应力集中系数，将各关键截面最大名义应力转化为点应力，并通过可调导叶材料古德曼曲线，获得点应力对应的第一许用振动应力；
选取第一许用振动应力不超过第一预设阈值对应的可调导叶轴颈与圆台结构，采用有限元进行静应力分析，获得各关键截面最大点应力；
通过古德曼曲线，获得各关键截面最大点应力对应的实际许用振动应力；
选取实际许用振动应力不超过第二预设阈值的上轴颈1、上圆台2、下圆台4和下轴颈5尺寸，作为满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求的对应的压气机轴颈与圆台尺寸。
在本实施例中，通过建立可调导叶简化模型，将简化模型的上轴颈1、上圆台2、下轴颈5与下圆台4之间存在较大稳态应力的刚度突变截面位置确定为关键截面；然后结合简化模型的上轴颈1、上圆台2、下轴颈5与下圆台4尺寸以及可调导叶受力边界条件，对各个关键截面进行受力分析和应力分析，获得各关键截面的点应力，以此获得了上轴颈1、上圆台2、下轴颈5与下圆台4尺寸与最大名义应力的关系，可快速实现可调导叶关键尺寸定型，降低设计迭代时间。在此基础上，选取第一许用振动应力不超过第一预设阈值对应的可调导叶轴颈与圆台结构，采用有限元进行静强度分析，通过古德曼图确定满足可调导叶振动疲劳要求的实际许用振动应力，以此获得满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求的轴颈与圆台详细尺寸方案，可达到指导可调导叶的结构强度设计的目的，且能确保可调导叶在设计工作状态下不易产生振动疲劳裂纹。
实施例2
本实施例以某压气机可调导叶轴颈与圆台设计为例，对本发明的方法步骤进行详细说明。本发明的方法流程图如图 1所示，具体步骤如下：
步骤一、根据可调导叶轴颈与圆台结构尺寸，建立可调导叶的轴颈与圆台的简化模型，所述简化模型包括上轴颈1、上圆台2、平板叶身3、下圆台4和下轴颈5；
本实施例中建立可调导叶的轴颈与圆台的简化模型如图 2所示，将叶身简化为矩形截面的平板叶身3，由此可调导叶可简化为五个部分：上轴颈1、上圆台2、平板叶身3、下轴颈5、下圆台4。上轴颈1关键参数为直径，高度/>；上圆台2关键参数为直径/>，高度/>；下圆台4关键参数为直径/>，高度/>；下轴颈5关键参数为直径/>，高度/>；平板叶身3关键参数为平板叶身3高度/>，平板叶身3宽度/>，叶身厚度/>，本实施例中平板叶身3的厚度/>选可调导叶最大厚度。且本发明不涉及流道设计，因此高度/>、宽度/>为气动给定参数，在本实施例中为非设计参数。
步骤二、开展不同上轴颈1、上圆台2、下圆台4和下轴颈5尺寸下的简化模型的关键截面进行受力分析，获得对应简化模型尺寸下关键截面的弯矩、扭矩；
本实施例中将简化模型中上轴颈1、上圆台2、下轴颈5与下圆台4之间存在较大稳态应力的刚度突变截面位置确定为关键截面；可调导叶关键截面位置主要有四个：上轴颈1与上圆台2的第一转接面、上圆台2与平板叶身3的第二转接面、平板叶身3与下圆台4的第三转接面以及下圆台4与下轴颈5的第四转接面。各关键截面弯矩计算方法为：
力平衡方程：
力矩平衡方程：
边界条件方程：
第四转接面为自由端：
第四转接面可以自由平动，不能转动：
第四转接面不能平动，也不能转动：
其中为气动力载荷，为气动给定的已知量；/>为第一转接面弯矩，/>为第二转接面弯矩，/>为第三转接面弯矩，/>为第四转接面弯矩；/>为第一转接面支反力，/>为第四转接面支反力，共计6个未知数；根据力平衡方程、力矩平衡方程以及任意两个边界条件方程，共计6个方程，即可以求解/>、/>、/>、/>。
关于关键截面扭矩、/>、/>、/>，根据下式进行计算获得：
，其中/>为可调导叶与导叶安装边之间的摩擦系数。
步骤三、根据关键截面的弯矩、扭矩进行关键截面应力分析，获得各关键截面最大名义应力；
本实施例中，上轴颈1与上圆台2的第一转接面最大名义应力根据计算式分析获得，/>为圆周率。
上圆台2与平板叶身3的第二转接面最大名义应力根据计算式分析获得。
平板叶身3与下圆台4的第三转接面最大名义应力根据计算式分析获得。
下圆台4与下轴颈5的第四转接面最大名义应力根据计算式分析获得。
步骤四、根据应力集中系数，将各关键截面最大名义应力转化为点应力；
本实施例中，各关键截面最大名义应力对应的点应力根据式/>分析获得，其中/>为应力集中系数，本实施例中取/>，/>表示第/>转接面最大名义应力，=1、2、3、4，/>=1代表第一转接面，/>=2代表第二转接面，/>=3代表第三转接面，/>=4代表第四转接面。
步骤五、通过可调导叶材料古德曼曲线，获得点应力对应的第一许用振动应力；
本实施例中通过材料手册获得高周疲劳强度和拉伸强度/>，获得可调导叶材料的古德曼曲线，如图3所示。考虑许用振动应力储备系数/>，将第/>转接面的点应力代入曲线/>中获得各关键截面点应力对应的第一许用振动应力/>，其中/>为可调导叶材料古德曼曲线。
步骤六、选取第一许用振动应力不超过第一预设阈值对应的可调导叶轴颈与圆台结构，采用有限元进行静应力分析，获得各关键截面最大点应力；
本实施例中，若各关键截面第一许用振动应力均低于第一预设阈值100MPa，则采用有限元对可调导叶原模型进行有限元静应力分析，获得各关键截面最大点应力/>。
步骤七、通过古德曼曲线，获得各关键截面最大点应力对应的实际许用振动应力；
本实施例中，考虑许用振动应力储备系数，将第/>转接面的最大点应力代入曲线/>中获得各关键截面最大点应力对应的实际许用振动应力/>。
步骤八、选取实际许用振动应力不超过第二预设阈值的上轴颈1、上圆台2、下圆台4和下轴颈5尺寸，作为满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求的对应的压气机轴颈与圆台尺寸。本实施例中，若实际许用振动应力不超过第二预设阈值，本实施例中第二预设阈值取100MPa，则判定对应的压气机轴颈与圆台尺寸满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求。
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 (8)

1.一种压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，其特征在于，包括：
根据可调导叶轴颈与圆台结构尺寸，建立可调导叶的轴颈与圆台的简化模型，所述简化模型包括上轴颈、上圆台、平板叶身、下圆台和下轴颈；
开展不同上轴颈、上圆台、下圆台和下轴颈尺寸下的简化模型的关键截面进行受力分析，获得对应简化模型尺寸下关键截面的弯矩、扭矩，所述关键截面包括上轴颈与上圆台的第一转接面、上圆台与平板叶身的第二转接面、平板叶身与下圆台的第三转接面以及下圆台与下轴颈的第四转接面；
根据关键截面的弯矩、扭矩进行关键截面应力分析，获得各关键截面最大名义应力；
根据应力集中系数，将各关键截面最大名义应力转化为点应力，并通过可调导叶材料古德曼曲线，获得点应力对应的第一许用振动应力；
选取第一许用振动应力不超过第一预设阈值对应的可调导叶轴颈与圆台结构，采用有限元进行静应力分析，获得各关键截面最大点应力；
通过古德曼曲线，获得各关键截面最大点应力对应的实际许用振动应力；
选取实际许用振动应力不超过第二预设阈值的上轴颈、上圆台、下圆台和下轴颈尺寸，作为满足压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计要求的对应的压气机轴颈与圆台尺寸。
2.根据权利要求1所述的压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，其特征在于，各关键截面最大名义应力对应的点应力根据式/>分析获得，其中/>为应力集中系数，/>表示第/>转接面最大名义应力，/>=1、2、3、4，/>=1代表第一转接面，/>=2代表第二转接面，/>=3代表第三转接面，/>=4代表第四转接面；然后根据许用振动应力储备系数/>，将第/>转接面的点应力代入曲线/>中获得各关键截面点应力对应的第一许用振动应力，其中/>为可调导叶材料古德曼曲线。
3.根据权利要求2所述的压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，其特征在于，上轴颈与上圆台的第一转接面最大名义应力根据计算式分析获得，其中/>为第一转接面弯矩，/>为上轴颈直径，为第一转接面扭矩，/>为圆周率。
4.根据权利要求2所述的压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，其特征在于，上圆台与平板叶身的第二转接面最大名义应力根据计算式分析获得，其中/>为第二转接面弯矩，/>为上圆台直径，/>为第二转接面扭矩，/>为圆周率，/>为平板叶身厚度。
5.根据权利要求2所述的压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，其特征在于，平板叶身与下圆台的第三转接面最大名义应力根据计算式分析获得，其中/>为第三转接面弯矩，/>为下圆台直径，/>为第三转接面扭矩，/>为圆周率，/>为平板叶身厚度。
6.根据权利要求2所述的压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，其特征在于，下圆台与下轴颈的第四转接面最大名义应力根据计算式分析获得，其中/>为第四转接面弯矩，/>为下轴颈直径，为第四转接面扭矩，/>为圆周率。
7.根据权利要求2所述的压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，其特征在于，根据许用振动应力储备系数，将第/>转接面的点应力代入曲线/>中获得各关键截面点应力对应的第一许用振动应力，其中/>为可调导叶材料古德曼曲线。
8.根据权利要求2-7中任意一项所述的压气机可调导叶轴颈与圆台结构强度设计方法，其特征在于，所述简化模型中平板叶身的厚度为可调导叶最大厚度。
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