航空發(fā)動機(jī)葉片及其發(fā)展趨勢

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

1 引言

科技的發(fā)展促進(jìn)了社會的進(jìn)步，社會的進(jìn)步加速了人類對飛行器的需求。當(dāng)今社會各式各樣的飛行器被廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、國防、科研等領(lǐng)域，無論是軍用還是民用都在追求性能更加強(qiáng)大的飛行器，而擁有一臺性能強(qiáng)勁的航空發(fā)動機(jī)是提升一架飛行器性能的先決條件，因此研發(fā)高性能的航空發(fā)動機(jī)已成為國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)制造的首要目標(biāo)。

要提高航空發(fā)動機(jī)的性能就必須首先提升葉片這一關(guān)鍵部位。例如渦輪葉片由于處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件，并被譽(yù)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(fā)動機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。從某種意義上說,它也是一個國家航空工業(yè)水平的重要標(biāo)志。

當(dāng)今航空發(fā)動機(jī)向著高功率、高負(fù)荷方向發(fā)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(jié)構(gòu)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(zhì)的熱物理性質(zhì)、總體的阻力特性和運(yùn)動狀態(tài)、葉片轉(zhuǎn)速等。其中主導(dǎo)因素為葉片的形狀結(jié)構(gòu)。

2 葉片結(jié)構(gòu)及分類

葉片的結(jié)構(gòu)是影響航空發(fā)動機(jī)工作效率的重要原因，了解葉片結(jié)構(gòu)，有利于對葉片工作原理的了解，有利于對航空發(fā)動機(jī)性能的改進(jìn)及葉片的設(shè)計、制造及研究。葉片主要由葉身、葉冠及榫頭三部分構(gòu)成，其中某些葉片還具有凸肩結(jié)構(gòu)。

（1）葉身結(jié)構(gòu)。葉身作為葉片的主體部分，其葉型截面為按一定規(guī)律積疊而成的空間曲面，在由若干基元葉型截面共同構(gòu)成了葉身外型型面。葉身內(nèi)型面具有復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可令來自于進(jìn)氣道的冷空氣通過，進(jìn)而帶走熱量起到散熱和冷卻的作用。內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表現(xiàn)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(jié)構(gòu)。緣板結(jié)構(gòu)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(lián)接，有時能起到方便葉片與機(jī)匣聯(lián)接的作用。

（3）榫頭結(jié)構(gòu)。榫頭是渦輪葉片與葉片輪盤聯(lián)接和承力的重要部位。榫頭的形狀多變，常用榫頭結(jié)構(gòu)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(shù)由2齒到6齒不等。

航空發(fā)動機(jī)葉片按名稱可分為壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片[2]，其中壓氣機(jī)葉片又分為高壓壓氣機(jī)葉片和低壓壓氣機(jī)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(fā)動機(jī)葉片按結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子的平衡性，葉片安裝前要按配合尺寸（葉片根部尺寸）、質(zhì)量、固有頻率和靜力矩進(jìn)行選配[3]。

（2）葉片編號與安裝，各級葉片按質(zhì)量遞減的次序編號，如最重的葉片為1號，裝在輪盤最輕點(diǎn)方向的槽中（根據(jù)第一平衡標(biāo)明），除特殊情況外，一般在輪盤上相對直徑上葉片的質(zhì)量差最小，其余按質(zhì)量差依次排列的相鄰兩葉片（質(zhì)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(zhì)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(huán)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(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

航空發(fā)動機(jī)葉片的發(fā)展主要體現(xiàn)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(zhuǎn)變?yōu)榭臻g任意積疊，如傾斜積疊、復(fù)合彎掠積疊等[4]。

（2）葉片材料，美國PW公司發(fā)明了高溫合金定向凝固技術(shù)使鑄造合金的力學(xué)性能顯著提高，隨后又由鑄造的多晶結(jié)構(gòu)發(fā)展為定向結(jié)晶結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)可提高葉片的耐高溫性能，從而提高發(fā)動機(jī)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(shè)計，傳統(tǒng)葉片設(shè)計由二維圖紙來描述其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，很難實(shí)現(xiàn)將葉片的完整性表現(xiàn)出來，且工作量巨大，容易出現(xiàn)誤差。現(xiàn)在采用3D建模方法，不僅易于結(jié)構(gòu)設(shè)計，還能夠通過仿真軟件模擬分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。使得葉片設(shè)計周期短，收益大。

航空發(fā)動機(jī)葉片未來發(fā)展趨勢:

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

5 結(jié)束語

作為航空發(fā)動機(jī)工作的主要部件，航空發(fā)動機(jī)葉片承擔(dān)著提供強(qiáng)大推力的任務(wù)，但也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)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(fā)動機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)及分類、安裝、發(fā)展現(xiàn)狀及其未來的發(fā)展趨勢有利于對其進(jìn)行深刻認(rèn)識，有利于研究、發(fā)展葉片制造技術(shù)，進(jìn)而為推動祖國航空航天事業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

[1]楊積東.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障的若干非線性動力學(xué)問題研究[J].沈陽:東北大學(xué)出版社,2001.

[2]李杰,樊丁,彭凱,航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)器切換特性[J].推進(jìn)技術(shù),2009(05).

[3]石宏.航空發(fā)動機(jī)裝配工藝技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2015.

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