航空發動機葉片及其發展趨勢

孫方成,于 群,石 宏（沈陽航空航天大學航空航天工程學部,沈陽 110136）

1 引言

科技的發展促進了社會的進步，社會的進步加速了人類對飛行器的需求。當今社會各式各樣的飛行器被廣泛的應用于生產、生活、國防、科研等領域，無論是軍用還是民用都在追求性能更加強大的飛行器，而擁有一臺性能強勁的航空發動機是提升一架飛行器性能的先決條件，因此研發高性能的航空發動機已成為國內外航空發動機制造的首要目標。

要提高航空發動機的性能就必須首先提升葉片這一關鍵部位。例如渦輪葉片由于處于溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件，并被譽為“王冠上的明珠”。渦輪葉片的性能水平，特別是溫度承載能力，已成為一種型號發動機先進程度的重要標志。從某種意義上說,它也是一個國家航空工業水平的重要標志。

當今航空發動機向著高功率、高負荷方向發展，而葉片是其核心部件，因此對葉片的性能提出了更為苛刻的要求[1]。影響葉片性能的因素有很多，其自身因素有葉片的葉型、葉身的形狀、凸肩及葉冠的結構等，其外在因素有流道半徑、氣流攻角、氣流分離、動靜部件間的匹配狀況、氣體工質的熱物理性質、總體的阻力特性和運動狀態、葉片轉速等。其中主導因素為葉片的形狀結構。

2 葉片結構及分類

葉片的結構是影響航空發動機工作效率的重要原因，了解葉片結構，有利于對葉片工作原理的了解，有利于對航空發動機性能的改進及葉片的設計、制造及研究。葉片主要由葉身、葉冠及榫頭三部分構成，其中某些葉片還具有凸肩結構。

（1）葉身結構。葉身作為葉片的主體部分，其葉型截面為按一定規律積疊而成的空間曲面，在由若干基元葉型截面共同構成了葉身外型型面。葉身內型面具有復雜的內腔結構，這些結構可令來自于進氣道的冷空氣通過，進而帶走熱量起到散熱和冷卻的作用。內腔結構復雜，表現方式也不盡相同，常見的有擾流注、縱向肋、橫向肋等。

（2）緣板結構。緣板結構簡單，它的作用是固定葉片，便于葉片的拆裝，適用于葉片之間的聯接，有時能起到方便葉片與機匣聯接的作用。

（3）榫頭結構。榫頭是渦輪葉片與葉片輪盤聯接和承力的重要部位。榫頭的形狀多變，常用榫頭結構可按橫向端面形狀主要可以分為銷釘形、燕尾形和樅樹形等三類。其中常見的形式為樅樹形，榫頭的齒數由2齒到6齒不等。

航空發動機葉片按名稱可分為壓氣機葉片和渦輪葉片[2]，其中壓氣機葉片又分為高壓壓氣機葉片和低壓壓氣機葉片，渦輪葉片又分為高壓渦輪葉片和低壓渦輪葉片。

航空發動機葉片按結構可分為銷釘形榫頭葉片，燕尾形榫頭葉片，燕尾形榫頭葉片，樅樹形榫頭帶冠葉片，樅樹形榫頭帶鋸齒冠葉片，帶凸肩葉片。

3 葉片安裝

（1）選型葉片，為提高轉子的平衡性，葉片安裝前要按配合尺寸（葉片根部尺寸）、質量、固有頻率和靜力矩進行選配[3]。

（2）葉片編號與安裝，各級葉片按質量遞減的次序編號，如最重的葉片為1號，裝在輪盤最輕點方向的槽中（根據第一平衡標明），除特殊情況外，一般在輪盤上相對直徑上葉片的質量差最小，其余按質量差依次排列的相鄰兩葉片（質量差很小）在相對直徑位置上安裝，即最重葉片與次重葉片相對安裝，最重葉片與最輕葉片相鄰安裝，次重葉片與次輕葉片相鄰安裝，以此類推。葉片按質量遞減次序在盤上分布。

其中葉片鎖緊主要為以下幾種方法：銷釘連接，鎖片、銷釘槽向固定，燕尾槽形榫頭鎖片槽向固定，卡環槽向固定，凸臺、鋼絲槽向固定，樅樹形榫頭槽向固定。

（3）帶葉片的各級盤靜（或動）平衡。

4 葉片發展現狀及未來趨勢

航空發動機葉片的發展主要體現在以下幾個部分：

（1）葉片形狀，葉身型面由原來簡單的徑向積疊轉變為空間任意積疊，如傾斜積疊、復合彎掠積疊等[4]。

（2）葉片材料，美國PW公司發明了高溫合金定向凝固技術使鑄造合金的力學性能顯著提高，隨后又由鑄造的多晶結構發展為定向結晶結構，現在已實現能將整個葉片鑄造成一個晶體，而單晶葉片鑄造的理想情況為完美的多晶體組成，這種結構可提高葉片的耐高溫性能，從而提高發動機性能，在高效率、高性能的同時還能夠延長葉片的使用壽命。

（3）葉片的設計，傳統葉片設計由二維圖紙來描述其復雜的結構特征，很難實現將葉片的完整性表現出來，且工作量巨大，容易出現誤差?，F在采用3D建模方法，不僅易于結構設計，還能夠通過仿真軟件模擬分析進行結構優化設計。使得葉片設計周期短，收益大。

航空發動機葉片未來發展趨勢:

由于單晶合金具有高強度、高塑性和耐高溫等特點，使得目前仍然是發動機葉片的首選材料。而對于新型材料的開發的腳步卻從未間斷。新型材料的葉片，例如碳纖維/鈦合金復合材料葉片、金屬間化合物葉片及陶瓷葉片等。在不遠的將來，伴隨著性能更加出色的材料出現，極大的促進了航空發動機葉片的設計和制造，屆時我們將擁有飛的更高、更快、更遠、更節能、更舒適的飛行器。

5 結束語

作為航空發動機工作的主要部件，航空發動機葉片承擔著提供強大推力的任務，但也存在著結構復雜，工作條件惡劣，壽命有待提高及較高性能要求等問題。因此，了解航空發動機葉片的結構及分類、安裝、發展現狀及其未來的發展趨勢有利于對其進行深刻認識，有利于研究、發展葉片制造技術，進而為推動祖國航空航天事業的發展作出貢獻。

[1]楊積東.轉子系統故障的若干非線性動力學問題研究[J].沈陽:東北大學出版社,2001.

[2]李杰,樊丁,彭凱,航空發動機壓氣機導流葉片調節器切換特性[J].推進技術,2009(05).

[3]石宏.航空發動機裝配工藝技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015.

[4]陸佳艷,何小妹,熊昌友等.航空發動機葉片造型方法研究[J].計量學報,2009(10).