纤维增强整体叶环∕盘强度问题分析.pdf

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1、第39卷第4期2013年8月航空发动机AeroengineV01．39No．4Aug．2013纤维增强整体叶环／盘强度问题分析葛长闯，曹航，伊锋(中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015)摘要：为了尽可能全面剖析纤维增强整体叶环(简称叶环)的优点和结构强度问题，明确纤维增强叶环转子强度优化问题及加工制造要求，利用ANsYS有限元软件，在分析典型纤维增强叶环和特殊纤维增强整体叶盘(简称叶盘)结构的受力特性基础上，结合前期对纤维增强叶环／盘特性的认识了解，提出了纤维增强叶环／盘结构在设计使用中出现的减质、寿命、刚度和热变形不协调等结构强度问题，并分析了这些问题产生的机理，

2、可供纤维增强转子结构设计、加工、试验和检查时参考。关键词：整体叶环／盘；结构强度；碳化硅纤维；纤维增强；航空发动机葛长闯(1979)，男，硕士，工程师，主AnalysisofStrengthPromblesforFiberReinforcementBling／Blisk要从事航空发动机结构强度设计工作。GEchang—chuang，CAOHang，YIFeng收稿日期：2013-01—24(AVICshenyangEngm。DesignandR。5。archIm酿他,Shenyang110015，chim)Abstract：Inordertocomprehensivelya

3、nalyzetheadvantageandstructurestrengthenproblemsofMrreinforcementbring／bhsk，therotorstrengthoptimizationandmanufacturingrequirementswetqedefined．Basedontheanalysisofmechanicalcharacteristicsfortypicalandspecialffl)erreinforcementbling／blisk，somestructurestrengthdesignproblemssucha8weightlo

4、ss，life，strength，stiffness，heatdistortioninconformitywerepmposedbyANSYS，andtheirmechanismsofproblemswerestudied．Itprovidesreferenceforstructuredesign,manufacture，testingandexaminationoffiberreinforcement．Keywords：bling／blisk；structurestrength；siliconcarbidefiber；fiberreinforcement；aeroengi

5、ne0引言为了满足未来军用航空发动机高推重比的设计要求，结构减质备受关注。因此，具有一定减质优势的叶环技术的研究和应用，成为当今世界各航空大国的热门课题之一【11。叶环是用环式转子结构代替盘式转子结构的1种新型的转子结构形式，兼顾了承力与减质的需求。但其结构优化设计、新材料研制、加工制造和无损检测等诸多关键技术需要突破。本文基于前期对纤维增强叶环，盘结构的研究成果，并结合国内外相关研究结果，分析了叶环应用的潜力与亟待突破的技术瓶颈，分析结论可供纤维增强转子结构强度设计以及加工制造参考。1叶环结构的特点转子典型结构通常可分为鼓式、盘式和盘鼓混合式[21，后2种较为常见。对常规

6、风扇和压气机转子来说，如果取消轮盘结构，保留鼓筒，则由于鼓筒形心半径较大，在缺少轮盘约束的情况下，鼓筒在离心力作用下的变形会较大，子午面单位面积承受负荷增加，引起周向应力水平升高，稳定性和可靠性就会大大降低。因此，1种新型的鼓式转子结构形式一纤维增强叶环转子结构应运而生。叶环转子结构是继承鼓式和盘鼓混合式转子的特性而提出的1种新概念转子结构。该类转子力图降低辐板以下材料的使用量。由于环结构所处截面形心距发动机轴线较远，在离心力作用下，环结构子午面周向应力非常大，因此需要利用具有更高比强度性能的材料来加强整个结构的强度，就像钢筋混凝土结构一样。碳化硅纤维材料凭借较高的比强度和

7、比刚度特性，被国际各大航空公司竞相研究和应用。该材料的研发成功也使叶环结构的发展成为可能。过去十余年间，GE、PW、RR、SNECMA、MTU等公司正在大力开发和验证这种纤维增强叶环结构酬。航空发动机第39卷截至目前研究，采用连续单根碳化硅长丝增强的Ti基复合材料制造的压气机叶环转子，可以使转子结构质量减轻70％，而且可以提高其高温性能。用单根长丝增强的Ti基复合材料制造的整体叶环是用直径为100Ixm或更粗的碳化硅连续长丝在Ti合金基体上缠绕成形而成。所用的长丝是在钨丝或未拧成丝束的单根碳纤维外表面用化学气相沉积