[发明专利]一种内置排骨架式气动阻尼的叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高速旋转燃气轮机叶片，更特别地说，是指一种内置排骨架式气动阻尼的叶片结构。

背景技术

随着航空技术的飞速发展，大涵道比涡扇发动机采用的新技术也在不断增加，宽弦风扇叶片就是其中的关键技术之一。在某种程度上可以说，宽弦风扇叶片的研制成功与否决定大涵道比风扇发动机成功的可能性。宽弦风扇叶片具有增加压气机喘振裕度、效率高、抗外物损伤、提高发动机推力、减少叶片数和减轻重量等优点，并为采用先进的风扇转子叶片弯掠设计提供了可能性。

早期的风扇叶片，主要用钛合金材料制造，在叶身距叶尖三分之一处有向两侧伸出的阻尼凸肩在叶片之间相互抵紧形成一个加强环。这种设计可以在一定程度上增加叶片刚性和自振频率，在叶片振动时，相邻叶片凸肩接触面相对运动，产生摩擦阻尼，降低叶片的振动应力。但是，气流流过凸肩处会产生分离，使气流效率降低，且实心叶片重量过大，轮盘负荷过大。带凸肩的实心风扇叶片不能完全适应大推力发动机对风扇叶片的性能要求。

针对早期窄弦实心风扇叶片存在的缺点，罗-罗公司于八十年代首先研制成功了第一代宽弦风扇叶片。它用活化或液态扩散焊接法将两块热态叶片形状的钛板和一个内薄壁蜂窝芯板连成一体，制成宽弦无凸肩风扇叶片。90年代罗-罗公司在第一代蜂窝芯板宽弦叶片的基础上，成功了采用钛合金三层结构的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)组合工艺制成的风扇叶片，风扇叶片芯部采用建筑上所用的三角形桁架结构，取代了以前宽弦风扇叶片的内部蜂窝芯板。这种三角形桁架结构不仅轻质，而且能够承力，每片叶片重量比蜂窝芯叶片轻1％。美国普惠公司在同期研制生产的PW40系列涡扇发动机，风扇叶片的设计也采用宽弦结构。

与早期窄弦实心带凸肩风扇叶片相比，宽弦无凸肩风扇叶片在结构设计上具有以下特点：1)省去凸肩，减小了型面阻力和压力损失，改善空气动力学特性；2)增加弦长，提高了抗外物打伤能力；3)采用空心结构，大大减轻了叶片重量。然而，这种新型的风扇叶片失去了传统的凸肩设计，叶片其自身的阻尼机制只有叶片材料及其内部结构的机械阻尼，不足以有效地避免因强迫振动引起的叶片高循环疲劳失效。同时随着发动机性能的不断提高，叶片所承受的气动负荷也不断增大，高负荷的气动设计使得由叶片高阶振动所导致的高循环疲劳失效频繁发生，而试图避开各阶密集的高阶共振频率几乎不可能。因此必须寻求各种新结构来改善风扇叶片的抗高循环疲劳损伤，延长风扇叶片疲劳寿命。

发明内容

为了提高叶片的强度、振动特性及寿命，本发明设计了一种内置排骨架式气动阻尼的叶片结构。该叶片是由叶身和榫头构成。当叶片受到气动载荷激励发生振动时，叶身翼面(叶背侧壁和叶盆侧壁)上的振动能量被叶身内部的吸振板所吸收，吸振板发生振动引起叶身内部六个气腔上下表面的相对运动，使得气腔内气体发生流动。由于气体具有粘性，气体流动时在固体壁面附近会存在附面层，附面层内气体的流动速度并不均匀，存在粘性切应力，为克服这些粘性力而作的功会造成流动损失，消耗振动能量。同时由于吸振板上节流孔的存在，气体流向节流孔时，由于通道面积突然减小导致流动速度剧烈增加，气流流动方向改变，流体质点相互撞击，发生剧烈的摩擦和动量交换，造成能量损失，消耗振动能量。气动阻尼的存在降低了叶片的振动应力，提高了叶片的高循环疲劳寿命。

本发明设计的内置排骨架式气动阻尼的叶片，由叶身和榫头构成，其中，叶身包括有叶背侧壁、叶盆侧壁、前缘、后缘、A吸振板、B吸振板、C吸振板、A支撑肋和B支撑肋。叶背侧壁与叶盆侧壁相对设置在前缘与后缘之间，且叶背侧壁与叶盆侧壁之间形成一流道腔体；B吸振板安装在A支撑肋和B支撑肋之间，A支撑肋的另一侧的安装槽内安装有A吸振板，B支撑肋的另一侧的安装槽内安装有C吸振板，从而形成排骨架式气动阻尼结构；该排骨架式气动阻尼结构安装在叶背侧壁与叶盆侧壁形成的流道腔体内，且通过A支撑肋和B支撑肋使得流道腔体内部隔离成六个气腔。所述叶身的叶型设计成具有一定扭角β＝20°～40°。

本发明设计的具有内置排骨架式气动阻尼的叶片具有如下优点：

(1)排骨架式吸振板结构设计能够在2000Hz～12000Hz频域范围内吸收叶片叶身翼面的振动能量，降低叶身的振动应力水平，从而解决了由于叶片模态密集而无法避开共振所导致的叶片高循环疲劳失效问题。

(2)排骨架式吸振板结构中支撑肋的设计有效地提高了叶片的抗冲击能力。

(3)在叶身空腔内引入气体，气体流动所产生的气动阻尼能够有效抑制叶片的高频振动，同时不增加叶片的重量，符合现代发动机的减重要求。