朱银方 劳贤豪 黎 琨
（中国航发湖南动力机械研究所，中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002）
叶尖开槽最早是应用于航空发动机涡轮工作叶片中，大量研究表明[1-2]，涡轮转子叶片叶尖开槽可以明显改善涡轮级的效率和冷却效果。叶尖开槽又叫叶尖片削，是指在叶片靠近径向间隙处的叶尖处的吸力面或压力面或叶片两侧同时沿着弦向开浅槽。在压气机中，叶尖处压力面侧流体会通过叶顶间隙泄漏到吸力面侧，进而导致泄漏流与主流发生掺混，带来泄漏损失。叶尖片削技术的主要特点是有效调控叶尖泄漏流动及其与端壁二次流的相互作用，进而影响压气机的气动性能。邵卫卫[3]研究了叶尖片削对轴流压气机性能的影响，并提出了叶尖片削对叶片振动和叶片应力分布的可能影响。压气机转子叶片尤其是进口转子叶片，工作条件恶劣，以及高速旋转产生的离心力和气流尾迹很容易使叶片发生振动。由于压气机转子叶片经常受到外物冲击或沙尘冲刷，使得其频率会发生改变，因此，叶片振动必须具备一定的裕度。发动机由振动引起的故障占总故障的60%以上，其中叶片振动故障占总故障的70%以上[4]。叶片振动尤其是共振将产生较大的振动应力，易导致叶片疲劳失效[5]，即高周疲劳失效。叶片产生共振的主要原因是由于叶片固有频率与某阶激振频率相同或者接近，因此，在设计时需要尽量避免这种情况[6]。
作为世界上最为著名的大涵道比民用涡扇发动机之一，CFM56 发动机和LEAP 发动机在其高压压气机前级转子叶片叶尖均采用了叶尖片削结构，如图1 和图2 所示。
图1 CFM56压气机转子叶尖片削示意图
图2 LEAP-1B压气机转子叶尖片削示意图
根据压气机转子叶片的结构特点以及工作原理，叶尖片削由吸力面叶型轮廓线向压力面或者压力面向吸力面偏置一定距离形成。叶尖片削控制参数主要由剩余叶尖厚度b1、片削深度h以及片削结构倒圆角r组成，如图3 所示，其中b1 一般不小于0.8mm，r大小主要由加工刀具决定，一般为2mm，不宜太小否则会导致应力集中。本文将要分析的叶尖片削结构如表1 所示，其位于叶片的压力面。
图3 压气机转子叶尖片削控制参数
表1 转子叶尖片削结构主要参数
本文选取某型压气机第1 级转子为计算模型。第1 级叶片盘材料为常用钛合金，材料性能数据如表2 所示。采用商业有限元计算软件Workbench 对表1 中的5 种叶尖片削结构进行了振动、强度计算。叶片盘在结构上具有循环对称的特点，计算模型选取包含1 个完整叶片的循环对称段进行计算。采用十节点四面体单元对循环对称段进行网格划分，约束条件模拟了零件在实际发动机中的装配关系，循环对称面施加循环对称约束。
表2 钛合金力学性能数据
3.1 振动计算
对第1 级叶片盘叶片进行了振动特性计算，结果如表3 所示，本文计算主要考虑了叶片气动载荷、离心载荷和温度载荷。第1 ～6 次叶片频率随着叶尖片削深度变化规律如图4 所示，结构1、2 的共振频率裕度如表4 和表5所示，可以看出：
表3 叶片前6阶固有频率
图4 叶片频率随参数b的变化规律
表4 结构1的共振频率裕度（%）
表5 结构2的共振频率裕度（%）
（1）随着叶尖片削深度的增加，叶片各阶次频率均不断提高；
（2）叶片前6 阶次频率与叶尖片削深度基本呈线性关系变化；
（3）与结构1 相比，结构2 的共振频率裕度较低的阶次裕度均有所提升，比如K=2 的1 阶裕度由9.8%提升至12.4%，K=5 的1 阶频率裕度由12.3%提升至14.1%，有利于提升叶片高周疲劳寿命。
3.2 强度计算
对叶根最大当量应力、盘心最大当量应力、叶尖最大综合变形和叶尖最大径向变形应力进行计算分析，如表6所示，变化曲线如图5 和图6 所示，从图中可以看出：
表6 叶片应力及位移
图5 最大当量应力变化曲线
图6 叶尖最大变形变化曲线
（1）叶根最大当量应力随着叶尖片削深度的增加先增加后降低；
（2）叶尖变形随着叶尖片削深度的增加均呈现下降趋势。
利用某型压气机为平台，进行了叶尖片削（开槽）状态与没有叶尖片削（基准）状态性能仿真对比分析，如图7 和图8 所示。从数值仿真计算分析结果可以看出，叶尖片削（开槽）对整个压气机的气动性能影响不大，但80%换算转速的喘振裕度略有提升外，其他转速的效率、流量及喘振裕度几乎无影响。
图7 某型压气机流量压比特性
图8 某型压气机流量效率特性
本文以某型压气机为例，从振动、强度以及压气机性能等方面，分析了叶尖片削参数影响变化规律，可以看出：
（1）转子叶尖片削对叶根最大当量应力、盘心最大当量应力以及叶尖变形影响较小；
（2）转子叶尖片削对叶片振动特性有较大的影响。对于一定厚度的多级轴流压气机转子叶片来说，叶尖片削可以作为一种的调频手段；
（3）一定范围内的转子叶尖片削对压气机性能几乎没有影响。
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