一種單向無迭代航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片調(diào)頻方法

陳鐵鋒，金賽英

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司研發(fā)中心，上海200241）

一種單向無迭代航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片調(diào)頻方法

陳鐵鋒，金賽英

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司研發(fā)中心，上海200241）

針對某航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片共振頻率裕度不足的問題，提出了一種單向無迭代葉片調(diào)頻方法。通過該方法建立了葉片設(shè)計變量與固有頻率之間的映射關(guān)系，找出了影響葉片頻率的主要設(shè)計因素，并成功完成了該風(fēng)扇葉片的調(diào)頻工作，使得該葉片的固有頻率避開了發(fā)動機的主要工作轉(zhuǎn)速區(qū)間。

航空發(fā)動機；風(fēng)扇葉片；單向無迭代；調(diào)頻

航空發(fā)動機號稱“航空工業(yè)皇冠上的明珠”，它的設(shè)計涉及空氣動力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)、強度、制造等多個學(xué)科，面臨諸多挑戰(zhàn)。一款成功的航空發(fā)動機在設(shè)計時需要平衡氣動與結(jié)構(gòu)強度的矛盾，還要兼顧成本、制造性、維護性等要求。葉片設(shè)計是航空發(fā)動機設(shè)計中的首要而且重要的內(nèi)容，合格的葉片設(shè)計要同時滿足氣動性能要求和結(jié)構(gòu)強度要求。統(tǒng)計資料顯示，航空發(fā)動機的故障中有很大一部分是由葉片的高周疲勞失效導(dǎo)致的[1]。高周疲勞失效產(chǎn)生的直接原因是由于葉片共振產(chǎn)生，而葉片產(chǎn)生共振的主要原因是由于葉片固有頻率與某階激振頻率相同或接近，因此在葉片設(shè)計時需要盡量避免這種情況。通過改變?nèi)~片形狀使葉片固有頻率避開激振頻率的范圍的工作即為葉片調(diào)頻[2-3]。

葉片調(diào)頻是航空發(fā)動機設(shè)計的一個重要工作。通常來說，需要對葉片的前幾階振動頻率進行調(diào)頻。調(diào)頻的方法通常是改變?nèi)~片的質(zhì)量/剛度分布。傳統(tǒng)的調(diào)頻方法首先由強度校核人員提出葉型修改方案，然后由氣動設(shè)計人員進行葉片造型，接著結(jié)構(gòu)設(shè)計人員根據(jù)新的葉型建模，再由強度人員進行校核，這樣形成一個迭代[4]。根據(jù)經(jīng)驗，對于復(fù)雜葉片的設(shè)計，往往需要幾個甚至幾十個迭代才能使葉片的各階頻率滿足設(shè)計要求。傳統(tǒng)的調(diào)頻方法費時費力，而且調(diào)頻工作能否成功在很大程度上取決于工程師的經(jīng)驗。為解決上述問題，本文提出一種無需迭代的單向調(diào)頻方法，通過找出影響葉片頻率的主要因素，并通過調(diào)整這些設(shè)計因素達到調(diào)頻的目的。

1 風(fēng)扇葉片的初始設(shè)計及共振問題

大涵道比航空發(fā)動機是指涵道比在4以上的航空發(fā)動機，其最顯著的特點是有一個很大的風(fēng)扇，該風(fēng)扇為其提供了約80%的推力。大涵道比航空發(fā)動機的風(fēng)扇在工作時承受了巨大的離心載荷，為了降低離心載荷在葉根和榫頭產(chǎn)生的應(yīng)力幅值，最直接的辦法就是降低葉片重量。目前國際上降低風(fēng)扇葉片重量的途徑主要有兩種：采用復(fù)合材料或者采用金屬空心結(jié)構(gòu)。本文所述的風(fēng)扇葉片即采用空心結(jié)構(gòu)的形式，圖1為其初始設(shè)計的結(jié)構(gòu)外觀示意圖。

圖1 風(fēng)扇葉片外形輪廓

通過對風(fēng)扇葉片初始設(shè)計的固有頻率進行分析，發(fā)現(xiàn)其頻率裕度不能滿足設(shè)計要求。圖2為其共振CAMPBELL圖，由該圖可見，葉片在4倍頻的激勵下，在d～k主要工作轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)存在較多危險共振點[5]。

圖2 初始設(shè)計的風(fēng)扇葉片CAMPBELL圖

2 單向無迭代葉片調(diào)頻方法及其應(yīng)用

2.1 調(diào)頻流程介紹

本文所提出的單向調(diào)頻方法操作流程見圖3.首先要選出一些設(shè)計變量和目標(biāo)變量，這些設(shè)計變量主要是與氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些參數(shù)，這些設(shè)計變量變化范圍的選取主要是依據(jù)過去的經(jīng)驗確定。在選定了設(shè)計變量及其變化范圍后，采用試驗設(shè)計方法在設(shè)計空間內(nèi)均布一些樣本點，這里的每個樣本點都是一組設(shè)計變量的組合。然后根據(jù)這些樣本點建立對應(yīng)的有限元分析模型并求解葉片各階頻率。再建立葉片固有頻率與設(shè)計變量之間的映射關(guān)系，用這個映射關(guān)系來反過來指導(dǎo)調(diào)頻工作。

圖3 單向無迭代葉片調(diào)頻流程

2.2 設(shè)計變量的選取

可能影響空心風(fēng)扇葉片固有頻率的因素有：材料、空心結(jié)構(gòu)、葉片厚度、弦長、重心等。風(fēng)扇葉片的葉型截面見圖4左側(cè)，標(biāo)示了葉片弦長C和最大厚度T及其位置，風(fēng)扇葉片的空心結(jié)構(gòu)件圖4右側(cè)。在進行調(diào)頻設(shè)計時，選取上述因素為設(shè)計變量，見表1.其中P1～P8為沿葉高均勻取8個截面，每個截面的最大厚度[6－7].P9和P10為不同葉片材料的彈性模量和泊松比。與風(fēng)扇空心結(jié)構(gòu)有關(guān)的設(shè)計變量為P11～P15.在選取設(shè)計變量的變化區(qū)間時，需要考慮工程實際經(jīng)驗，包括對氣動性能的影響程度、加工性、裝配性等，綜合考慮了以上因素后，最終確定各設(shè)計變量的變化區(qū)間見表1.

圖4 空心風(fēng)扇葉片空心結(jié)構(gòu)示意圖

表1 設(shè)計變量及其變化區(qū)間

2.3 試驗設(shè)計

在確定了所有的設(shè)計變量及其變化范圍后，針對16個設(shè)計變量選取了16種參數(shù)組合，也即是在設(shè)計空間選取了16個樣本點來代表整個設(shè)計空間，見表2.根據(jù)經(jīng)驗，這樣的數(shù)據(jù)點能夠滿足工程要求。

表2 試驗設(shè)計矩陣

采用試驗設(shè)計方法建立了16個樣本，也就是16個葉片形式。以樣本1為例，樣本1對應(yīng)的葉片葉身截面最大厚度沿葉高方向的分布曲線見圖5，為了保持葉型沿葉高方向的光滑過度，葉身沿葉高方向造型截面數(shù)量要遠遠大于調(diào)頻所選取的設(shè)計變量的數(shù)量。

圖5 樣本1葉片葉型截面最大厚度沿葉高分布

2.4 映射模型建立與敏感性分析

針對2.3節(jié)試驗設(shè)計所提出的16種葉片設(shè)計變量組合，建立16個葉片三維模型，分別開展靜止工況下的固有頻率分析。將上述16個樣本點計算結(jié)果與15個設(shè)計變量之間建立映射關(guān)系，見圖6所示，其中fij為風(fēng)扇葉片i節(jié)徑下的第j階固有頻率。通過改變圖6中設(shè)計變量的數(shù)值即可立即相應(yīng)的葉片各階固有頻率的變化。

圖6 葉片設(shè)計變量與固有頻率之間的映射關(guān)系

通過改變某一設(shè)計變量，而保持其余設(shè)計變量不變，觀察各階固有頻率的變化情況即可計算出各階固有頻率對該設(shè)計變量的敏感度。圖7以f32為例，比較了各設(shè)計變量對f32頻率的影響程度大小，由圖7可見，葉根截面的最大厚度和空心結(jié)構(gòu)參數(shù)對f32的影響最為明顯。

圖7 f32對各設(shè)計變量的敏感性分析

2.5 調(diào)頻優(yōu)化

在建立了風(fēng)扇葉片設(shè)計變量與固有頻率之間的映射關(guān)系，并通過敏感性分析找出影響目標(biāo)頻率的最主要的設(shè)計變量后，通過手動或者采用軟件程序等調(diào)整上述設(shè)計變量來改變目標(biāo)固有頻率，最終獲取理想的固有頻率設(shè)計，達到調(diào)頻的目的。針對本文第1節(jié)所述的葉片在4倍頻激勵下的共振問題，采用手動調(diào)整設(shè)計變量的方式進行調(diào)頻，優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)見表3，使得第2階和第3階固有頻率線都下移，見圖8所示，避開了發(fā)動機主要的工作轉(zhuǎn)速區(qū)間，解決了葉片初始設(shè)計的問題。

表3 優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)值

圖8 調(diào)頻后的風(fēng)扇葉片CAMPBELL圖

3 結(jié)論

本文提出了單向無迭代的葉片調(diào)頻方法，很好地解決了傳統(tǒng)葉片調(diào)頻耗時耗力和不確定性答大等缺點，具有一定的工程應(yīng)用價值，并且該方法可以推廣應(yīng)用至其他類似的工程問題中。

[1]P Hauf，B Elsner，G Aschersleben.“Multi-Objective Con strained Aero-Mechanical Optimization Of An Axial Com pressor Transonic Blade”，Proceedings of ASME Turbo Expo 2012，GT2012，June 11-15，2012，Copenhagen，Denmark，GT2012-68993.

[2]Ulrich Siller，Marcel Aulich.“Multidisciplinary 3D-Opti mization of A Fan Stage Performance Map With Consideration of The Static And Dynamic Rotor Mechanics”，Proceedings of ASME Turbo Expo 2010：Power for Land，Sea and Air， T2010 June 14-18，2010，Glasgow，UK，GT2010-22792.

[3]C Chahine，JR Seume，T Verstraete.“The Influence of Metamodeling Techniques On The Multidisciplinary Design Optimization Of A Radial Compressor Impeller”，Proceedings of ASME Turbo Expo 2012，GT2012，June 11-15，2012，Copenhagen，Denmark，GT2012-68358.

[4]蔡顯新，尹澤勇，高德平，等．航空發(fā)動機渦輪葉片的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計[J].航空動力學(xué)報，2004，20（5）：795-801.

[5]丁愛祥，吳君，譯.EGD-3斯貝MK202發(fā)動機應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：國際航空編輯部，1979.

[6]Saitou K，Izui K，Nishiwaki S，etc.A survey of structural optimization in mechanical product development[J].Comput ing and Information Science in Engineering，2005，5（3）：214-226.

[7]Yang Jian-qiu，Wang Yan-rong.Internal structural optimiza tion of hollow fan blade based on sequential quadratic pro gramming algorithm[J].Journal of Aerospace Power，2011，26

（4）：787-793.

Unidirectional Tuning Method of Aircraft Engine Blade Without Iteration

CHEN Tie-feng，JIN Sai-ying
（R&D Center，Chinese Hangfa Commercial Aircraft Engine Co.，Ltd.，Shanghai 200241，China）

This paper presents an unidirectional tuning method without iteration to solve the problem of insufficient frequency margin of an aircraft engine fan blade.The mapping relationship between the design parameters and frequencies was established using the method.Then，the main design factors were found out，and were used to do the tuning work，and made the frequencies of the fan blade avoided the main working speed range successfully.

aircraft engine；fan blade；unidirectional tuning method without iteration

V231.92

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0016-03

2017-02-12

陳鐵鋒（1984-），男，安徽阜陽人，設(shè)計員，碩士，研究方向：航空發(fā)動機強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。