航空发动机叶片的高科技秘密

作者：Horson 来源：航空微读 

我们都知道，发动机作为飞机中推进系统的一个组成部分，是一种高度复杂和精密的热力机械，它的造价要远远的高于飞机中的其他部件。

下面是几种不同型号的航空发动机：

 
图1 劳斯莱斯梅林V-12引擎

图2 一个ULPower UL260i水平对置气冷式航空发动机

图3 GEnx商用飞机发动机的内部构造

一、航空发动机叶片

首先，我们看几张发动机叶片基本形状和构造。

 
图4  发动机简图

发动机中叶片主要分为四个部分：

扇叶（fan blades）

压气机叶片（compressor blades）

高压涡轮叶片（high pressure turbine blades）

低压涡轮叶片（lowpressure turbine blades）

 
图5  GEnx-2B的风扇叶片和进口导流叶

 
图6喷气式飞机发动机的涡轮叶片

 
图7 风扇叶片

你知道叶片在发动机中起多大作用吗？

发动机中完成对气体的压缩和膨胀，并且以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作的就是这众多的叶片。

叶片是一种特殊的零件，它数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件一直以来各发动机厂的生产的关键，因此对其投入的人力、物力、财力都是比较大的，而且国内外发动机厂家正以最大的努力来提高叶片的性能，生产能力及质量，以满足需要。

二、叶片的形状设计

说了这么多，你可能会有疑问了，既然叶片数量多，为什么不把它设计成直的规则图形，而是一个凹的曲线状呢？这样一来既减少了很多加工工艺，又降低了设计难度，可以减少很多成本。

为了解释这个问题，先给大家介绍一些基本的概念知识。

首先，什么是流道？下图是两个典型的流道图。

 
图8 压气机流道图

 
图9 涡轮流道图

其次，圆周速度的计算公式是什么？在流道中，由于在不同的半径上，圆周速度是不同的，（这个可以根据下图中的计算公式得到）

   
图10 圆周速度

最后，什么是气流的攻角？气流的攻角是气流相对于叶片速度方向与叶片弦线夹角。

 

图11 以飞机机翼为例，展示气流的攻角

接下来解释叶片为什么一定要扭呢？

由于在流道中，不同半径上的圆周速度是不同的，那么就导致在不同的半径基元级中，气流的攻角相差极大；

在叶尖，由于半径大，圆周速度大，就造成很大的正攻角，结果使得叶型叶背产生严重的气流分离；在叶根，由于半径小，圆周速度小，造成很大的负攻角，结果使得叶型的叶盆产生严重的气流分离。

 

图12 叶片背面和端面

因此，对于直叶片来说，除了最近中径处的一部分还能工作之外，其余部分都会产生严重的气流分离，也就是说，用直叶片工作的压气机或涡轮，其效率是极其低劣的，甚至会达到根本无法运转的地步。

这也就是为什么叶片一定要扭的原因。

三、叶片设计的几何参数

叶片的几何尺寸如下表：

 
图13 压气机叶片叶栅几何参数示意图

表1 叶片的几何参数

四、叶片技术的改良

由于叶片的好坏优劣直接决定飞机发动机的性能和质量，现如今，在叶片的设计和制造领域仍面临很多挑战。下图是未来技术的一个设想：

 

图14叶片技术改良

它将采用更先进的空气动力学和通道塑造，更先进的制造工艺，尽可能少的套管涡轮机设计，以及更先进的材料，等等。

另外，还有GE公司提出的GE9X发动机，风机叶片采用碳纤维复合材料，是一种全新的、更有效的设计，它减少了叶片的数量（从22到18），并减轻了重量。

 

图15 碳纤维复合材料风机叶片—GE9X发动机

叶片的设计技术日益更新和完善，那么就让我们对未来的叶片，未来的发动机拭目以待吧！

 
图16 GENX-2B飞机引擎