一种用于航空发动机整体叶盘的阻尼环及其设计方法与流程

1.本技术属于航空发动机技术领域，特别涉及一种用于航空发动机整体叶盘的阻尼环及其设计方法。


背景技术：

2.相比于传统的叶片通过榫头与叶盘连接的结构相比，整体叶盘的盘体更薄，盘叶耦合性更强，同时无榫结构也可大大减少盘叶振动阻尼，也因此盘叶耦合振动问题更为突出。
3.为了改善上述振动问题，通常在整体叶盘的安装边位置添加阻尼环形成减振结构，利用振动过程中阻尼环和安装边之间的摩擦耗能来降低整体叶盘的振动情况。如图1所示为典型的整体叶盘和阻尼环的配合关系示意图，整体叶盘(即叶片12与叶盘11为一个整体)的缘板前后(沿气流流向)分别设置一个阻尼环13，阻尼环13用来与安装边进行摩擦来降低整体叶片振动。
4.叶片缘板阻尼器试验结果表明，在一扭振型下，叶片峰值响应幅值随阻尼器接触压力的增大呈先减小后增大的规律，且该规律随激振力f的增大而更为显著，不利于叶片减振，如图2所示。
5.相似地，整体叶盘动测试验结果表明，在较高转速条件下，阻尼环与安装阻尼环的叶盘安装槽之间存在较大的接触压力，难以发生相对摩擦运动，因而无法对整体叶盘进行有效的减振，现有技术中也缺乏可靠的整体叶盘阻尼减振结构。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供了一种用于航空发动机整体叶盘的阻尼环及其设计方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
7.本技术的技术方案是：一种用于航空发动机整体叶盘的阻尼环，所述阻尼环为椭圆形结构，所述椭圆形结构的阻尼环的外轮廓满足：
8.式中，a为长半轴尺寸，b为短半轴尺寸；
9.所述阻尼环具有开口，所述开口位于所述阻尼环短轴顶点。
10.在本技术优选实施方式中，所述椭圆形结构的阻尼环长轴两顶点与整体叶盘的安装槽内径相切，且内径相切点的安装状态为过盈配合。
11.在本技术优选实施方式中，所述椭圆形结构的阻尼环的外径和内径之差小于所述整体叶盘安装槽的深度。
12.另外，本技术还提供了.一种如上任一所述的用于航空发动机整体叶盘的阻尼环设计方法，所述设计方法包括：
13.确定整体叶盘的安装槽内径r与安装槽深度d；
14.使阻尼环的外轮廓几何参数满足以下条件：a＝r和a-d＜b＜a；
15.根据所述整体叶盘的安装槽内径r与安装槽深度d确定椭圆形的几何参数a、b，从而得到阻尼环的外轮廓，完成阻尼环的尺寸设计。
16.在本技术优选实施方式中，所述设计方法还包括确定阻尼环与整体叶盘的安装槽内径完全贴合时的转速，过程包括：
17.开展离心作用下的椭圆形阻尼环的受力情况分析，忽略整体叶盘的轮盘内径r，将阻尼环简化为平均半径为r0的圆环；
18.在转速为ω时，对于转速ω
→
0对应的阻尼环微元段，在其未与安装槽接触的状态下，受到离心力f
离
和相邻微元段拉应力f
拉
共同作用，具有：
[0019][0020][0021]
式中，m为阻尼环质量；
[0022]
ω为转速；
[0023]
r0为阻尼环简化后半径；
[0024]
ρ为阻尼环材料密度；
[0025]
b为阻尼环横截面的宽度；
[0026]
h为阻尼环横截面的宽度；
[0027]
为阻尼环微元的角度；
[0028]
忽略内径相切点和开口小量δ的影响，阻尼环的累计周向变形为：
[0029][0030]
式中，ε为对应转速下的阻尼环应变；
[0031]
e为阻尼环材料弹性模量；
[0032]
取阻尼环和开口小量δ之和的周长近似为：
[0033]
l＝2πb+4(a-b)
[0034]
当阻尼环、开口小量δ及累计周向变形δ
离
之和与安装槽内径周长一致时，阻尼环将完全与安装槽内径贴合，且接触应力分布处于不均匀状态，此时转速为：
[0035]
在转速进一步提高过程中，全部阻尼环外径的接触压力均按如图4所示的计算方式均匀增加，形成一个共同工作的接触系统
[0036]
在本技术优选实施方式中，在设计中使转速ω
贴合
低于整体叶盘共振转速预定值，以提高阻尼环和安装槽在共振转速条件下的减振效果。
[0037]
本技术所提供用于整体叶盘的阻尼环在静态安装条件下除相切点外，其他位置与安装槽存在一定间隙，然而随轮盘转速的提高，在离心作用下阻尼环周向应力和周向变形不断增大，从而逐渐向安装槽靠拢，接触面积和接触应力不断增大，摩擦减振效果不断增
强。通过此方式，显著降低了高转速条件下阻尼环与整体叶盘安装槽之间的接触压力，保证了阻尼环可以持续发生相对摩擦运动，从而对叶片起到更好的减振作用。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
[0039]
图1为现有技术的整体叶盘和阻尼环配合关系示意图。
[0040]
图2为现有技术的阻尼环接触压力和叶片响应幅值对应关系示意图。
[0041]
图3为整体叶盘与传统阻尼环之间的接触压力周向分布示意图。
[0042]
图4为整体叶盘旋转过程中阻尼环在离心力作用下与安装槽间的接触应力示意图。
[0043]
图5为本技术的阻尼环及装配情况示意图。
[0044]
图6为本技术的阻尼环初始接触压力示意图。
[0045]
图7为本技术的阻尼环在离心力作用下的周向应力示意图。
具体实施方式
[0046]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0047]
以截面为长方形的阻尼环为例，图1中所示的传统开口式阻尼环在自由状态下的名义半径通常大于对应安装槽的内径，装配后在弹性张力的作用下阻尼环将紧贴于安装槽；同时在旋转离心力的作用下，阻尼环将与整体叶盘接触更加紧密，形成一个共同工作的接触系统。
[0048]
在阻尼环装入安装槽后，它们之间的接触压力沿着圆周方向呈梨形分布，如图3所示，但是由于工程中应用的阻尼环开口量一般较小，可认为压力沿圆周是均匀分布。通过推导可以得到弹性张力作用下阻尼环的接触应力为：
[0049]
式中，b和h分别为阻尼环横截面的高度和宽度，
△
为阻尼环装入安装槽前后开口量的变化，r0和r分别为阻尼环的平均半径和外径，e和g分别为材料的弹性模量和剪切模量，kγ为截面的形状系数，当横截面是矩形时取1.2。
[0050]
在整体叶盘旋转过程中，阻尼环在离心力作用下与安装槽之间的接触应力如图4所示，接触应力为：
[0051][0052]
对于上述接触应力，例如当b＝h＝20mm，r＝300mm，e＝110gpa，g＝40gpa，ω＝10000r/min，带入可得σ
弹
＝8.43*10-5
△
mpa(
△
单位为mm)，σ
离
＝26.58mpa。因此可以看出，离心力作用下产生的接触压力显著大于弹性张力作用下产生的接触压力，即接触压力以离心作用贡献为主。
[0053]
为此，本技术提出了一种新型的阻尼环结构，使其能够与整体叶盘安装槽之间的
接触压力在较高转速条件下保持在适当的水平，既能够发生相对摩擦从而消耗能量，又保证对整体叶盘起到有效的减振作用。
[0054]
如图3所示，本技术提供的用于航空发动机整体叶盘的阻尼环具有如下结构特征：
[0055]
1)所述阻尼环13’为椭圆形结构，椭圆形的阻尼环13’的外轮廓满足几何公式式中，a为长半轴尺寸，b为短半轴尺寸；
[0056]
2)安装后椭圆形的阻尼环长轴两顶点与整体叶盘11的安装槽内径相切，且内径相切点为初始过盈状态，以保证阻尼环13’的定心稳定；
[0057]
3)阻尼环13’采用开口设计，且开口131的位置处于阻尼环短轴顶点或附近，以保证阻尼环安装的便利性；
[0058]
4)阻尼环13’的外径和内径之差(即阻尼环13’的厚度)小于整体叶盘安装槽的深度，以防止阻尼环在低转速条件下存在轴向串动。
[0059]
本技术提供的阻尼环可以减小离心产生的接触压力使其在较高转速条件下保持在适当接触压力，同时够发生相对摩擦消耗能量实现对整体叶盘有效的减振作用。
[0060]
对于本技术中的上述椭圆形阻尼环，本技术中还提供了该椭圆形阻尼环的设计方法，主要包括阻尼环的尺寸设计及适用转速设计。
[0061]
其中，对于椭圆形阻尼环的尺寸设计过程如下：
[0062]
对于已知的整体叶盘，整体叶盘的安装槽内径r与安装槽深度d为定值。在使阻尼环的几何尺寸满足上述结构特征条件1、条件2和条件4的前提下，阻尼环13’的外轮廓几何参数满足以下条件：
[0063]
1)a＝r；
[0064]
2)a-d＜b＜a；
[0065]
按照以上条件，将椭圆几何参数a、b带入公式即可快速得到阻尼环的外轮廓，从而完成椭圆形阻尼环的结构尺寸设计。
[0066]
与传统阻尼环相似，本技术的阻尼环的接触应力来自两方面：一方面，受初始过盈设计影响，阻尼环外径与叶盘安装槽内径相切位置存在初始接触压力，如图6所示，该压力沿整体叶盘轴向呈线性分布，作用面积较小，难以起到明显的摩擦减振作用，可以忽略不计；另一方面，在静态安装条件下除相切点外，阻尼环其他位置与安装槽存在一定间隙，随整体叶盘的轮盘转速提高，在离心作用下阻尼环周向应力和周向变形不断增大，如图7图所示，从而逐渐向安装槽靠拢，接触面积和接触应力不断增大，摩擦减振效果不断增强。
[0067]
对离心作用下的椭圆形阻尼环受力情况开展分析。在阻尼环设计中，阻尼环与安装槽之间的间隙很小，相对于轮盘内径r可忽略不计，故将阻尼环简化为平均半径为r0的圆环开展分析(r0＝r-h/2)。在转速为ω时，对于ω
→
0对应的阻尼环微元段，在其未与安装槽接触的状态下，受到离心力f
离
和相邻微元段拉应力f
拉
共同作用，由推导可知：
[0068][0069]
[0070]
忽略内径相切点和开口小量δ的影响，阻尼环累计周向变形为：
[0071][0072]
取阻尼环和开口小量之和(即全椭圆)的周长近似为：
[0073]
l＝2πb+4(a-b)
[0074]
当阻尼环、开口小量δ及累计周向变形δ
离
之和与安装槽内径周长一致时，阻尼环将完全与安装槽内径贴合，且接触应力分布处于不均匀状态，此时转速近似为：
[0075][0076]
在转速进一步提高过程中，全部阻尼环外径的接触压力均按如图4所示的计算方式均匀增加，形成一个共同工作的接触系统。
[0077]
在本技术优选实施例中，在设计中使转速ω
贴合
略低于整体叶盘共振转速(例如低1％～5％)，可以使阻尼环和安装槽在共振转速条件下具有适当的接触压力，起到良好的减振效果。
[0078]
本技术所提供用于整体叶盘的阻尼环在静态安装条件下除相切点外，其他位置与安装槽存在一定间隙，然而随轮盘转速的提高，在离心作用下阻尼环周向应力和周向变形不断增大，从而逐渐向安装槽靠拢，接触面积和接触应力不断增大，摩擦减振效果不断增强。通过此方式，显著降低了高转速条件下阻尼环与整体叶盘安装槽之间的接触压力，保证了阻尼环可以持续发生相对摩擦运动，从而对叶片起到更好的减振作用。
[0079]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于航空发动机整体叶盘的阻尼环，其特征在于，所述阻尼环为椭圆形结构，所述椭圆形结构的阻尼环的外轮廓满足：式中，a为长半轴尺寸，b为短半轴尺寸；所述阻尼环具有开口，所述开口位于所述阻尼环短轴顶点。2.如权利要求1所述的用于航空发动机整体叶盘的阻尼环，其特征在于，所述椭圆形结构的阻尼环长轴两顶点与整体叶盘的安装槽内径相切，且内径相切点的安装状态为过盈配合。3.如权利要求1或2所述的用于航空发动机整体叶盘的阻尼环，其特征在于，所述椭圆形结构的阻尼环的外径和内径之差小于所述整体叶盘安装槽的深度。4.一种如权利要求1至3任一所述的用于航空发动机整体叶盘的阻尼环设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：确定整体叶盘的安装槽内径r与安装槽深度d；使阻尼环的外轮廓几何参数满足以下条件：a＝r和a-d＜b＜a；根据所述整体叶盘的安装槽内径r与安装槽深度d确定椭圆形的几何参数a、b，从而得到阻尼环的外轮廓，完成阻尼环的尺寸设计。5.如权利要求4所述的用于航空发动机整体叶盘的阻尼环设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括确定阻尼环与整体叶盘的安装槽内径完全贴合时的转速，过程包括：开展离心作用下的椭圆形阻尼环的受力情况分析，忽略整体叶盘的轮盘内径r，将阻尼环简化为平均半径为r0的圆环；在转速为ω时，对于转速ω
→
0对应的阻尼环微元段，在其未与安装槽接触的状态下，受到离心力f
离
和相邻微元段拉应力f
拉
共同作用，具有：共同作用，具有：式中，m为阻尼环质量；ω为转速；r0为阻尼环简化后半径；ρ为阻尼环材料密度；b为阻尼环横截面的宽度；h为阻尼环横截面的宽度；为阻尼环微元的角度；忽略内径相切点和开口小量δ的影响，阻尼环的累计周向变形为：
式中，ε为对应转速下的阻尼环应变；e为阻尼环材料弹性模量；取阻尼环和开口小量δ之和的周长近似为：l＝2πb+4(a-b)当阻尼环、开口小量δ及累计周向变形δ
离
之和与安装槽内径周长一致时，阻尼环将完全与安装槽内径贴合，且接触应力分布处于不均匀状态，此时转速为：在转速进一步提高过程中，全部阻尼环外径的接触压力均按如图4所示的计算方式均匀增加，形成一个共同工作的接触系统。6.如权利要求5所述的用于航空发动机整体叶盘的阻尼环设计方法，其特征在于，在设计中使转速ω
贴合
低于整体叶盘共振转速预定值，以提高阻尼环和安装槽在共振转速条件下的减振效果。

技术总结
本申请提供了一种用于航空发动机整体叶盘的阻尼环，所述阻尼环为椭圆形结构，所述椭圆形结构的阻尼环的外轮廓满足椭圆方程；所述阻尼环具有开口，所述开口位于所述阻尼环短轴顶点。本申请所提供用于整体叶盘的阻尼环在静态安装条件下除相切点外，其他位置与安装槽存在一定间隙，然而随轮盘转速的提高，在离心作用下阻尼环周向应力和周向变形不断增大，从而逐渐向安装槽靠拢，接触面积和接触应力不断增大，摩擦减振效果不断增强。通过此方式，显著降低了高转速条件下阻尼环与整体叶盘安装槽之间的接触压力，保证了阻尼环可以持续发生相对摩擦运动，从而对叶片起到更好的减振作用。从而对叶片起到更好的减振作用。从而对叶片起到更好的减振作用。


技术研发人员：杜青 刘一雄 张建 陈育志 郝燕平 丛佩红
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/6/3