GE 公司為什麼用複合材料來做葉片？壓氣機工作葉片簡介

(7)葉身帶減振凸肩

在長葉片上(特別是風扇葉片上),由於工作時易引起振動,通常均在葉身上約距葉尖1/3處附近做有減振用的凸肩,如圖10(a)所示,兩側的凸肩端面分別與相鄰葉片的凸肩端面相抵住形成一整環,如圖10(b)所示。

圖7、高涵道比渦扇發動機增壓壓氣機中的正交葉片

這樣,葉片由無凸肩的一端夾緊變為兩端夾持,增加了剛性,提高了自振頻率;另一方面,一旦葉片振動起來,相鄰的凸肩端面間相互干摩擦,吸收振動能量,達到減振的目的。

圖8、遄達700中壓壓氣機後2級正交葉片

由於凸肩端面在工作中會與相鄰葉片凸肩相互高速摩擦,為此,需在凸肩端面上噴塗耐磨塗層,一般是用等離子噴塗史太里特硬質合金。

通常,帶減振凸肩的葉片用於壓氣機和/或風扇前幾級葉片。例如,高涵道比渦扇發動機的風扇葉片,在未採用寬弦葉型設計時,幾乎無例外地都採用這種設計;在小涵道比渦扇發動機中,風扇的前幾級也採用,例如RB199,AЛ31Ф 的3級風扇工作葉片全部帶葉身凸肩。

圖9、遄還800低壓渦輪採用了正交葉片

在壓氣機後級中,由於葉身高度小,基本上都不採用這種結構;但是,在蘇制 Д-36三轉子渦扇發動機(用於雅克42客機)中, 6級中壓壓氣機前5級均未採用凸肩，只有最短的第6級葉片採用了凸肩，如圖11所示，由此例可以看出，葉身上是否帶凸肩，主要視該葉片在工作中是否出現振動問題而定。

減振凸肩還可用於抑制顫振的發生,АЛ-31Ф3在發展過程中風扇第1級葉片曾出現顫振，將凸肩的位置稍作改變後，抑制了顫振的發生。

圖10、帶中間凸肩的壓氣機葉片

葉身上的減振凸肩,特別是前幾級的凸肩還能提高葉片抗外來物打擊的能力。

(8)葉身帶增加剛性的肋條

有的發動機為了增加葉片的局部剛性,提高抗外來物(鳥)打擊的能力,在葉身上距葉尖1/4處附近做有加強肋條。圖12所示的CFM56高壓壓氣機第1級工作葉片上即做有這種肋條。與減振用凸肩不同的是，肋條的寬度基本同於葉片的弦長，突出的高度則很小，各個葉片上的肋條相互不接觸，而留有較大的空隙。

在JT15D渦扇發動機風扇葉片上,既做有增加剛性的肋條,又有減振的凸肩,如圖13所示。由圖13上可見減振凸肩3是靠近葉根處且相互抵緊的,而增加剛性的肋條則做得靠葉尖處。

(9)帶葉冠的風扇葉片

葉冠是渦輪工作葉片常用的設計,但在壓氣機與風扇葉片中很少採用,目前僅在CFM562發動機的風扇葉片上採用。

圖12、葉身帶增加剛性的肋條的葉片

CFM56 2為CFM56發動機系列中的第1個型號,採用帶冠的風扇葉片,不僅可以解決葉片的振動問題,而且可以減少葉尖間隙處的漏氣損失,提高風扇效率。

但是,在CFM56系列中的以後各種型號:3型、5型與 7型中,均未使用帶冠結構;在 3型與 5型中,採用了葉身減振凸肩;在 7型中採用了無凸肩的寬弦設計。

圖13、帶減振凸肩與加強筋的JT15D風扇葉片

帶冠的風扇葉片不被採用的主要原因在於抗外物打擊的能力不如採用中間減振凸肩的好;另外,葉冠不僅增加榫根處的載荷,而且在葉冠與葉尖交界處還存在較大的彎曲應力;而且也增加了加工難度。

(10)取消葉身中間凸肩採取的措施

自從1970年高涵道比渦扇發動機JT9D隨第一種寬體客機波音747投入使用後,相繼發展了一批高涵道比渦扇發動機,在美國有 CF6 6、CF650、CF6 80C2、PW2037與PW4000等,在英國有 RB21122B、RB211 535C與 RB211 524等,在蘇聯有 Д18T與 Д36等。

在這些發動機上,風扇葉片均採用了減振用的葉身中間凸肩。 採用中間凸肩,解決了長葉片的振動與防外來物打傷的問題,但是它卻帶來一些問題。首先,帶凸肩後,葉片加工變得困難得多;其次,凸肩不僅增加了葉片重量,使葉根處承受的應力增加很多,而且在凸肩與葉身轉接處,凸肩對葉身還作用一個附加的彎矩,使該處應力狀況變為複雜。

更重要的是,凸肩對風扇的性能影響較大,因為氣流流過凸肩時,在其後會產生紊流區,不僅縮小了有效的氣流通道面積,而且使壓力損失加大。圖14示出了其示意圖。這會使風扇效率降低,直接使發動機耗油率上升;另外,風扇的喘振裕度也會變小。因此,自從帶凸肩的長風扇葉片出現後,就開始想採取措施來取消它;但困難很大,直到20世紀80年代初期,才取得初步成效。

要取消中間凸肩,就須提高長葉片的抗振與抗外物打傷的能力。採用寬弦(小展弦比)葉片能解決這兩個問題。因為葉弦加長後,葉片自然變厚,即薄而長的葉片變成寬而厚的平板了,不易引起振動,且能承受得住外物的打擊。

但是,這麼做,使得作用於榫頭上的離心負荷大大增加,榫槽的強度承受不了,而且發動機的重量要增加許多。對於大型高涵道比渦扇發動機的風扇葉片,如果沒有能減輕葉片重量的措施,還是不能在大發動機中採用。

對於小型發動機,葉片長度不太大,直接採用實心的寬弦葉片是可以取消葉身中間凸肩的。例如,JT15D 4型的風扇葉片採取了如圖13所示的既帶凸肩又帶肋條的設計,在其後的發展型JT15D5中,風扇就採取了寬弦實心的葉片取代了原設計。

圖14、帶凸肩風扇葉片的氣動損失

目前,採用實心的寬弦風扇葉片的發動機有:羅·羅公司的 Tay,CFMI公司的 CFM567,普惠公司的 PW6000等發動機,這些發動機都屬小推力的發動機。

為解決大型發動機的風扇葉片採用寬弦後減輕重量的問題,20世紀80年代初期,羅·羅公司發展了一種帶蜂窩的夾層結構寬弦風扇葉片,如圖15所示。這種葉片由兩片經過化學銑削成形的鈦合金的面板,夾上由鈦合金蜂窩製成的芯板,在高溫爐中經過擴散連接處理將三者連接成一體,然後在模中扭轉成最終型面。

圖15、帶蜂窩的夾層結構寬弦風扇葉片

這種風扇葉片既具有較好的抗振和抗外物打擊的能力,重量又輕,首先用於 RB211535E4發動機。該發動機於1984年10月裝在B757飛機上投入使用。隨後,V2500發動機的風扇葉片也採用了這種設計。

RB211 535E4採用的寬弦無凸肩風扇葉片,由於取消了凸肩,使風扇性能有明顯的改善。圖16示出在巡航條件下,風扇轉子的絕熱效率可提高2%~4%;圖17示出風扇輪轂處的效率也提高2%~4%;圖18示出喘振裕度的改善情況。由於風扇效率的提高,發動機耗油率有明顯的降低,由圖19可以看出,巡航時耗油率可降低4%以上(圖中:NL為低壓轉子轉速)。

20世紀90年代初期,羅·羅公司在 RB211 535E4風扇葉片的基礎上,發展了它的第二代空心寬弦風扇葉片。它的葉型剖面如圖20 所示。這種稱之為 DB/SPF(擴散連接/超塑性成形)的葉片的外形仍然由鈦合金的兩面板組成,但兩面板間不是夾有蜂窩芯板,而是由薄片形成的桁架與面板連接組成了一種重量輕且承力特性好的結構,圖21 示出這種葉片的外形。

它的製造過程如圖22 所示。首先將兩個面板與中間組成桁架的薄板,裝在擴散連接的夾具中,將中間薄板分別在不同的位置與兩面板連接起來,然後將它置於加熱的陰模中,使3 層板均處於超塑性狀態,在面板間通以高壓惰性氣體,於是兩面板在氣體壓力作用下壓向陰模槽中,形成葉型;而中間薄板則被拉成桁架形式。

圖20、擴散連接/超塑性成形風扇葉片剖面圖

這種葉片由於中間薄板參與受力,因此,面板可以做得薄些,其重量比帶蜂窩芯的葉片輕1/3。 目前,這種葉片已用於遄達700(A330 飛機用)、遄達800(波音777飛機用)、遄達900(A380)與遄達1000(B787)上,並已投入使用。

圖21、擴散連接/超塑性成形的風扇葉片

普惠公司為波音777研製的發動機PW4084發展了一種空心寬弦風扇葉片,它也是用兩個面板用擴散連接法連接起來的,在兩面板的內側,銑出一些縱向槽,形成空穴,如圖23(c)所示。

這種葉片與前述兩種葉片,顯然結構要簡單得多,當然,其重量也最重。圖23示出了這三種空心寬弦葉片的剖面圖,從中可以看出這三種葉片的不同之處與特點。

圖22、擴散連接/超塑性成形風扇葉片加工過程

圖23、三種空心風扇葉片的比較

GE 公司為波音777研製的GE90發動機,其風扇葉尖直徑是目前最大的,達3.142m,葉片高達1.22m,葉尖處的弦長0.53m,榫頭寬0.305m。這麼大的葉片,如採用鈦合金制,即使做成空心的,其重量也將很大,榫頭處的強度也難解決,而且發動機的重量也將很大。

於是 GE 公司決定用複合材料來做葉片。

圖24、GE90複合材料風扇葉片

GE90風扇葉片(如圖24所示)的葉身與葉根用IM7 中長碳纖維與韌性好的8511 7 環氧樹脂組成的被稱為「大力神」的85117/IM7複合材料製成一整體。在葉身的壓力面上噴塗聚胺酯防腐塗層,在葉背上塗有聚胺酯漆。為提高葉片抗大鳥撞擊的能力,葉片前緣從上至下包有鈦合金薄片,在葉盆尾緣位於距葉尖1/3的面積上也包有鈦合金薄片。

鈦合金薄片是用3MAF191膠粘到複合材料的葉身上的。為防止葉片在葉尖與尾緣處材料脫層,用 Kevlar材料製成的線在葉尖與尾緣處進行了縫合。圖25示出了該葉片的橫截面圖,由圖中可以看出其細緻結構。

圖25、GE90風扇葉片剖面圖

GE 公司在為B787研製的 GEnx發動機中,風扇葉片也採用了用於 GE90的複合材料。

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