航空發動機主要零部件設計之壓氣機工作葉片

壓氣機(風扇)工作葉片一般由葉身與榫頭(葉根)兩部分組成,如圖1所示。對於葉高較大的葉片(即長葉片),常在葉身距葉尖1/3附近處設有減振用的凸肩或凸台(如圖1(d)所示),個別發動機在風扇葉片上做有葉冠(CFM56-2)。

2.1 壓氣機工作葉片葉身

圖1、壓氣機工作葉片

下面分別敘述葉型設計中的一些特殊問題。(1)跨聲速葉片通常,壓氣機工作葉片均按進入葉片的氣流相對速度低於聲速設計,即所謂的亞聲速葉型,但為了提高級增壓比,要大幅度提高葉片葉尖切線速度(WP6為315m/s,WP7為380m/s,CFM56 為 400 m/s,M53 為420 m/s,GE90 為 455 m/s, F100為460~470m/s),因此,進入葉片的氣流相對速度將大於當地聲速,特別是前幾級葉片中,空氣的溫度較低,更易於達到或超過聲速。

為此,葉型設計成超聲速的。在長葉片中(在前幾級壓氣機中,均屬長葉片),葉尖處半徑與葉根處半徑相差較大,使兩處的切線速度相差較大,葉尖處氣流相對速度大於聲速,而葉根處則遠低於聲速,即一個葉片上,葉尖處按超聲速設計,葉根處按亞聲速設計。故稱這種葉片為跨聲速葉片。

現在較先進的渦扇發動機中,幾乎在第1級處均採用跨聲速的葉型設計。在 WP7發動機的6級壓氣機中,前4級均做成跨聲速的,第5級葉尖相對速度也等於聲速,這是少有的。

(2)可控擴散度葉型

自從20世紀80年代中期投入使用的PW4000發動機中採用可控擴散度葉型設計後,目前在一些新發動機中不僅工作葉片,有的在靜子葉片中也採用這種葉型。

所謂可控擴散度葉型(CDA)是指在葉型通道中的擴散度是按設計要求所控制的,通常所用的葉型如圖2(a)所示,在尾緣葉背處,由於附面層的作用,會產生分離的漩渦,不僅減少了有效的流通面積,而且會降低效率,易引起喘振。另外,前後緣處的厚度較薄,在砂塵的磨蝕作用下,葉形易發生變化,使發動機性能惡化快。

在採用 CDA葉型後,通過改變葉片流道的擴散度,消除了尾緣處的附面層分離現象,不僅減小了損失,有效的流通面積加大,而且使喘振裕度加大;另外,這種 CDA葉型的前後緣較厚,如圖2(b)所示,對抗外來的砂塵磨蝕有好處,而且葉弦較大,在保持一定的稠度下葉片數目可減少42%左右。

圖2、可控擴散度葉型與常規葉型的比較

(3)寬弦設計

圖3、高壓壓氣機第1級工作葉片比較

寬弦(即小展弦比)的高壓壓氣機工作葉片已逐漸取代常規的大展弦比工作葉片。圖3示出 GE公司三種典型發動機CF6 80C2、CFM56與 GE90的第1級高壓壓氣機工作葉片的照片圖。由圖3可以看出CF6 84C2的葉片細而長,當然其厚度也小,而 GE90的葉片顯得十分強壯。

實際上,採用小展弦比葉片後,不僅葉片在強度與振動方面有較好的特性,而且氣動性能也較好。表1中列出幾種發動機的壓氣機參數。

表、幾種發動機壓氣機的參數

普惠公司為100座支線客機發展的PW6000發動機中,高壓壓氣機與增壓壓氣機的工作葉片均採用了小展弦比的設計。按原計劃該發動機於1998年底取得適航證,2000年裝支線客機投入航線營運(後因飛機計劃取消,發動機未能繼續發展),因此,它是民用發動機中較新的型號。

這個事例說明,民用發動機中不僅高壓壓氣機將用小展弦比葉片取代大展弦比葉片,而且增壓壓氣機也將是這個趨勢。

在軍用發動機中,F414是在20世紀末投入使用的最後一種小涵道比渦扇發動機,其推重比達到9.0。它的3級風扇葉片均採用了小展弦比葉片和高葉尖切線速度(518m/s)設計。

圖4 、F404、F414高壓壓氣機第1級葉片比較弦比葉

圖4示出F414第1級葉片與F404的第1級葉片的外形照片。F414是在F404的基礎上,增加空氣流量(約16%)發展而成的。 由照片上可以看出,F414的展弦比顯然比F404的小。

按照片所示的輪廓尺寸可以算出,F404與F414的展弦比分別為1.98與1.50,說明軍用發動機也向小展 圖4 F404、F414高壓壓氣機第1級葉片比較弦比葉片發展。

(4)葉尖削薄

在有些發動機中,將壓氣機葉尖處削薄,如圖5所示。即在葉尖比較小的一段高度上,將葉型的材料銑去一部分,使葉型原來的中弧線C-C變成 C"-C",這樣,葉型彎角明顯加大,即由θ增加到θ′,這種設計稱為中弧過彎。由於中弧過彎的作用,使葉尖處的加功量加大,從而延遲了端壁附面層的分離。

這不僅擴大了壓氣機的穩定工作範圍,還有利於提高增壓比和效率。另外,由於葉尖削薄變成像刀片一樣,當萬一葉尖與機匣相碰時,也不會引起嚴重後果,所以葉尖和機匣間可以採用較小的徑向間隙,這就可以減少漏氣損失,從而提高了壓氣機效率。

圖5、葉尖削薄的葉型

(5)端彎葉片

具有端彎設計的葉片(靜子葉片與工作葉片)是將葉片葉尖與葉根前後緣稍作彎曲的一種設計,圖6示出其外形圖。這種設計的葉片,能消除端壁附面層的影響,因而可提高壓氣機的喘振裕度與效率。

圖6、帶端彎的工作葉片、靜子葉片

首次公開這種端彎葉片圖形的是羅·羅公司的 RB211 535E4,該發動機是專用于波音757雙發客機的,於1985年投入航線營運。後來,也發布了 V2500 發動機端彎葉片圖片。普惠公司在PW4000上也採用了,但卻被稱為第二代可控擴散葉型。CFM56 3的葉片上也採用了這種設計。

需指出的是,端彎不是直接將做好的常規葉片用夾具將其扳彎的,而是通過機械加工將它從坯件上直接加工出來的。

(6)正交葉片

正交葉片已由在增壓壓氣機上採用,擴展到在中壓壓氣機、低壓渦輪中採用。所謂正交葉片是指葉片葉身與氣流流動方向呈直角正交。圖7示出的增壓壓氣機轉子上的葉片,就是典型的正交葉片。

在高涵道比渦輪風扇發動機中,增壓壓氣機裝於大風扇葉片後的輪盤上,處於風扇葉片後與高壓壓氣機之間,此處氣流是向後並向內呈弧線流動的,如果葉片按常規將葉身做成與鼓筒外徑呈直角相交,那麼氣流是以一定夾角流向葉身的,會帶來一定的氣動損失。

為了獲得較高的效率,將葉身做成與氣流流動方向垂直,這樣,葉片葉身不與鼓筒垂直相交而是向後傾斜的。顯然,這種設計在氣動方面帶來一定好處,但由強度方面看,卻帶來不利之處,即葉根處除承受葉片的離心載荷外,還要承受由於葉片斜裝帶來的附加彎曲載荷。

但是,對於增壓壓氣機而言,由於它的轉速低、直徑小,上述兩種負荷都比較小,因而影響不大,所以,目前大多數高涵道比渦扇發動機的增壓壓氣機工作葉片均做成正交的。

1994年投入使用的遄達700(裝在A330 上)發動機在中壓壓氣機的後兩級葉片上,也採用了正交葉片,如圖8所示。這是在高轉速轉子上採用正交葉片的第一種發動機;隨後,在遄達800(1996年投入使用的波音777上採用的發動機)中壓壓氣機中也採用這種結構。 遄達800還在低壓渦輪上採用了正交葉片,如圖9所示。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！