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1、航空发动机燃气涡轮工作叶片阻尼片设计聂建豪1,21,2摘 要：在航空发动机详细设计阶段中，为了减少燃气涡轮工作叶片的振动应力， 设计了阻尼片结构。在具体设计中，需要确定阻尼片的壁厚。本文采用了工程计 算方法，得出了壁厚与阻尼片阻尼作用的相关关系。计算结果显示，如果壁厚小 于某一数值时，阻尼片的阻尼作用会随转速的增加先减弱而后增强，而当壁厚大 于该数值时，阻尼片的阻尼作用会随转速的增加而不断增强。关键词：航空发动机；涡轮工作叶片；阻尼片；壁厚；设计叶片是航空发动机中重要零件之一，其所处的工作环境是十分严酷的，需要 承受较高的离心载荷、气动载荷、高温以及振动的交变负荷，因此叶片容易产生 故障。所有
2、的发动机在研制和使用过程中，几乎都发生过叶片振动问题，例如涡 喷七甲发动机一级涡轮叶片因为振动问题而出现断裂事故。据有关资料表明，叶 片振动故障约占发动机结构故障的 1/3，诸如裂纹、折断等叶片故障事故，绝大 部分是因叶片振动引起的，因此长期以来叶片振动问题一直是发动机的一个普遍 而又严重的问题，必须引起足够重视1。航空发动机的激振力形式是多种多样的，大体分为 3 类：周期激振力、随机 激振力及介入两者之间的不稳定激振力。对于叶片而言，周期激振力，它间接作 用在叶片上；气体尾流激励力，它直接作用在叶片上。这些激振力作用在叶片上 将使叶片作强迫振动 。2为了防止叶片的大应力疲劳破坏，除了采取避开
3、共振等措施外，由于叶片工 作环境的特殊性，增加干摩擦阻尼结构（凸肩、叶冠和缘板摩擦阻尼器等）是减 少叶片共振疲劳破坏的一种有效方法，也是目前各国普遍采取的办法。近20多 年来，人们对带摩擦阻尼器的叶片系统进行了大量的研究，但由于问题的复杂性， 多年来人们研究的重点主要集中在计算模型的建立上3工程上，人们关心的另一个主要的问题是如何利用摩擦阻尼器使叶片的响应 尽可能地降低，即摩擦阻尼器的优化问题。摩擦阻尼器的优化应包括结构的优化。在具体设计中，为了降低涡轮工作叶片振动应力，设计了阻尼片结构，其中 需要确定阻尼片的壁厚，本文使用工程计算确定了壁厚与阻尼效果的关系，为阻 尼片工程设计及其优化提供了依
4、据。1. 计算和相关参数1.1 阻尼片阻尼原理如图1所示，涡轮工作叶片2通过榫接结构装配在盘1 上，而阻尼片3装 在相邻涡轮工作叶片中间伸根的空腔中，当叶片受到激振力产生振动时，阻尼片 与叶片内缘板产生摩擦而消耗振动能量，从而起到减振作用。图 1 阻尼片装配示意图1.2 阻尼片结构图2为航空发动机阻尼片结构，工作时，A和B表面与相邻叶片伸根相接 触，叶片激振力通过A和B表面传递给阻尼片，而C表面因为阻尼片离心力作 用紧贴叶片内缘板表面，而且 C 表面在阻尼片承受激振力和离心力时与叶片内 缘板相互摩擦而生热，从而消耗了振动能量，因而可以达到减振效果。图 2 阻尼片为了便于分析，将阻尼片结构进行简
5、化，如图3所示，其中阻尼片厚度为6, 宽度为b，长度为L。图 3 阻尼片结构参数在阻尼片设计中，b和L等其他尺寸已经得到确认，而现在需要确定阻尼片 厚度6。2. 计算结果与分析为了便于工程计算，将阻尼片振动简化为具有库伦阻尼或干摩擦阻尼的单自 由度系统，受简谐激振力-小作用的情况下，如图4所示，其微分4方程为：图 4 具有库伦阻尼的单自由度系统其中m为阻尼片的重量，k为阻尼片的刚度4为阻尼片与工作叶片之间的 动摩擦系数，N为阻尼片给工作叶片施加的正压力。上式得精确解的形式是相当复杂的。若干摩擦阻尼力较大，则质量块的运动是不连续的。另一方面，若干摩擦力小于作用力的振幅 F ，则可以认为稳态解近
6、0似为简谐的。若运动的幅值用X表示，则干摩擦力pN在1/4个循环中的能量耗散为pNXo因此在一个完整循环中，因干摩擦导致的能量耗损为：AW=4pNX幅值 X 的大小为：则一个完整的循环中，能量耗散AW为：在设计变量中，摩擦系数P与摩擦副的材料和温度有关，在稳态工作情况下，摩擦副材料和温度不变，可以视其为常数，k为阻尼片的刚度，受几何形状和弹 性模量影响，这两个影响因素在稳态工作情况下也可视为不变，因此k也可视为 常数。A为阻尼片的面积，而6为阻尼片厚度为阻尼片材料密度，则阻尼片的质量为m=pA6o阻尼片正压力N二mrw ,3为发动机涡轮转子的角速度，将其代入方程2rot2rot（4）可得：联立
7、方程（5）和（6）可得：lpA令a惴ApgF%；、方程（7）可以简化为：(10)川=*i_石严V声心 1 J对方程（8）进行求导可得：方程 如_d8亿沁-3#3切可叹变化为：、2T2 -T賓（関丁 Jl _恥半- /由定义可知：Tpd T30, T30, T40oK-l Ti rp1 6b27； - T-T. =g23 4 epA !2 f 4pAp(11)1）当3心较小时,由方程(10)和(11)可知:此时随着发动机转速的增大，阻尼片的阻尼能力在减弱。2）随着嘯增大令4此时随着发动机转速的增大，阻尼片的阻尼能力在增大。此时随着发动机转速的增大，阻尼片的阻尼能力在增大。3. 结论本文采用了工程计算方法分析了阻尼片壁厚与阻尼片阻尼效果的关系，得出的结论是：（1）当壁厚6小于JJ ,阻尼片的阻尼效果随发动机转速先减弱而后 增强。116b/（2 ）当壁厚6大于厂|，阻尼片的阻尼效果随发动机转速不断增强。（3）阻尼片壁厚6的最终确定还需要考虑其他因素，比如壁厚过大会导致阻尼片重量增加，进而会给叶片施加很大的附加载荷。
