[发明专利]防轮盘爆裂叶片及其薄弱结构的设计方法

说明书

本发明公开了一种防轮盘爆裂叶片及其薄弱结构的设计方法，防轮盘爆裂叶片，用于与轮盘配合，叶片包括榫头、伸根、缘板和叶身，叶片上的叶身处设有用于保证叶片先于轮盘断裂并飞脱的薄弱结构。本发明的防轮盘爆裂叶片，叶片上的叶身处设有薄弱结构，降低叶片的断裂飞脱临界转速，并低于轮盘临界破裂转速，使得叶片先于轮盘断裂并飞脱。并且，薄弱结构设置在叶片的叶身上，断裂并飞脱的叶片质量减小，有效降低飞断的叶片动能，避免轮盘爆裂危害发动机的后果，同时又减轻了机匣重量，有利于提高发动机推(功)重比和降低油耗率。

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别地，涉及一种防轮盘爆裂叶片。此外，本发明还涉及一种包括上述防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法。

背景技术

航空涡轴发动机中的涡轮是一种高速旋转的复杂热动力机械，其包含大量的高速转子部件。若这些转子部件由于存在制造缺陷、受到外物撞击或者材料受到疲劳的影响而发生轮盘破裂、叶片断裂飞脱等故障，飞断的转子碎片将在离心力的作用下以极高的速度飞出撞击机匣，对机匣造成剧烈的冲击和严重的损伤。若机匣强度不够，不足以将飞断的转子碎片包容在其内部，碎片将有可能击穿机匣，飞出发动机，使发动机失去动力。轮盘是航空涡轴发动机涡轮中的重要零件，由于发动机在加速过程中转速瞬时超过、控制系统失灵、轴断裂或其他异常原因，均可能导致轮盘超转，甚至破裂。涡轮叶片环绕并紧固在轮盘周围，随着轮盘高速旋转，叶片在高速旋转下假如发生飞脱断裂，机匣可以包容飞脱的叶片碎片，防止非包容事故带来的危害。

用于航空发动机或其他燃气涡轮发动机中实现叶片脱落防止轮盘破裂的机械超转保护功能，同时外围机匣能包容住脱落的叶片，即在涡轮叶片上设计一个“薄弱”截面，一旦发动机失去负荷，涡轮转子超转到一定转速后，叶片在该“薄弱”截面处脱落，从而使轮盘失去转速继续上升的动力，避免了轮盘超转破裂或脱落叶片击穿机匣带来的危害发动机后果。现有的基于伸根截面脱落的防轮盘爆裂技术设计的叶片，由于脱落叶片质量大，同样脱落转速下飞脱叶片的动能更大，往往需要设计更厚的机匣抵抗飞脱叶片的动能，来防止危害发动机的非包容事故。机匣加厚急剧增加了机匣重量，降低了发动机推(功)重比，增加了发动机耗油率。

发明内容

本发明提供了一种防轮盘爆裂叶片及其薄弱结构的设计方法，以解决现有技术中的“薄弱”截面，往往需要设计更厚的机匣抵抗飞脱叶片的动能，发动机耗油率高的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种防轮盘爆裂叶片，用于与轮盘配合，叶片包括榫头、伸根、缘板和叶身，叶片上的叶身处设有用于保证叶片先于轮盘断裂并飞脱的薄弱结构。

进一步地，薄弱结构处于叶身上靠近缘板的一端。

进一步地，薄弱结构在叶身上为一个。

进一步地，薄弱结构为叶身各截面应力逐渐变大和叶身抵抗破坏的能力逐渐变弱的薄弱结构。

根据本发明的另一方面，还提供了一种防轮盘爆裂叶片的薄弱结构的设计方法，包括以下步骤：

S1：基于叶身断裂时的飞脱转速预定薄弱结构处的等效应力σ₀；

S2：预设薄弱结构处的初始拉伸应力σ_拉伸应力参数，初始拉伸应力σ_拉伸应力参数包括：叶片断裂后薄弱结构截面所受到的离心力，叶片断裂的薄弱结构处的横截面积；

S3：获取薄弱结构上的飞脱叶身质心到薄弱结构处断裂截面形心的离心弯矩参数和薄弱结构上的飞脱叶身的气动载荷对断裂的薄弱结构形成的气动弯矩参数，通过有限元建立断裂薄弱结构的横截面的梁单元模型，获得预设工况下的初始弯曲应力σ_弯曲应力；