航空发动机叶片

发动机叶片发动机与飞机1.发动机种类1）涡轮喷气发动机（WP）WP5、WP6、WP7、⋯⋯WP132）涡轮螺桨发动机（WJ）WJ5、WJ6、WJ73）涡轮风扇发动机（WS）WS9、WS10、WS114）涡轮轴发动机（WZ）WZ5、WZ6 、WZ8、WZ95）活塞发动机（HS）HS5、HS6、HS92.发动机的结构与组成燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件以及燃油系统、滑油系统、空气系统、电器系统、进排气边系统及轴承传力系统等组成。

（发动机的整体构造如下图1）三大部件中除燃烧外的压气机与涡轮都是由转子和静子构成，静子由内、外机匣和导向（整流）叶片构成；转子由叶片盘、轴及轴承构成，其中叶片数量最多（见表1～5）高压压气机高压涡轮加力燃烧室3.发动机工作原理及热处理发过动程机的整体结构工作原理：发动机将大量的燃料燃烧产生的热能，势能给涡轮导向器斜切口膨胀产生大量的动能，其一部分转换成机械功驱动压气机和附件，剩余能由尾喷管膨胀加速产生推力。

热力过程：用p-υ或T-S 图来表示发动机的热力过程：4.飞机与发动机发动机是飞机的动力，也是飞机的心脏，不同用途的飞机配备不同种类的发动机。

如：1)军民用运输机、轰炸机、客机、装用WJ、WS、WP 类发动机。

2)强击机、歼击机、教练机、侦察机、装用WP、WS、HS 图1.发动机等压加热理想循环类发动机。

3)军民用直升机装用WZ 类发动机。

二、叶片在燃气涡轮发动机中叶片无论是压气机叶片还是涡轮叶片，它们的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的压缩和膨胀以及以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作。

叶片是一种特殊的零件，它的数量多，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，生产能力及质量满足需要。

1.叶片为什么一定要扭在流道中，由于在不同的半径上，圆周速度是不同的，因此在不同的半径基元级中，气流的攻角相差极大，在叶尖、由于圆周速度最大，造成很大的正攻角，结果使叶型叶背产生严重的气流分离；在叶根，由于圆周速度最小，造成很大的负攻角，结果使叶型的叶盆产生严重的气流分离。

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，其效率极其低劣的，甚至会达到根本无法运转的地步。

发动机叶片数量统计如下（以WJ6、WS11 为例）表：1. WJ6压气机叶片数量见表1 表1涡轮叶片数量见表2表2发动机叶片总数1078+424=15021502×500=751000按平均价格500 元/片，总产值3.755亿2.WS11压气机叶片总数见表3表3风扇叶片数量见表4表4涡轮叶片数量见表5表5叶片总数1297+192+507=1996按300 台计2000×300=600000片按500 元/片计价共计产值3 亿元。

2. 叶片的工作原理1) 压气机叶片顾名思义,压气机是用来“压气”地,把进口大气压P H=1 的压力压到出口处的所需要的压力.我们下图来分析其压缩的原理：气体在图2 中的流道内由于其容积越来越小而将气体的压力“憋”得越来越高。

在图2 中由于叶栅通道内的相对运动中截面积扩大，引起速度下降，ω1> ω2，气流的动能减少，减少的动能大部分转化为气流的压力能，从而使气流的压力提高P1>P2。

工作轮的任务不仅要提高压力，而且要不断给气流假如轮缘功L u 使气流不断的被压缩。

压气机叶片中有工作叶片和图整3流基叶元片级之叶分栅，通道工作叶片是随着转子旋转的，而整流叶片是静止不动，给工作叶片进口或出口紊乱的气流进行整理使气流有序的流动减少流动损失。

气流在整流叶片中同样是增压过程。

压气机的级数往往有很多级，这是因为它的级增压比不高，一般在1.2 左右，要将气流压力提高到很高，则需很多级来完成。

总压比与级压比的关系是πn*=πnIπKII πKIII ⋯⋯πKn压气机级数一般都是8 级以上。

2）涡轮叶片通过涡轮的流程通道和基元级叶片叶栅通道的结构型式来分析涡轮叶片的工作原理从图3和图2可看出其气流进出口的状态正好相反。

气流流过图3的流道时由于面积越来越大而压力越来越低。

这是由于气流流过叶栅通道F1CA 和F2PK 膨胀过程中的压力下降很快所需要的容积。

其原理为：由于涡轮叶片进口面积F Z 大于出口面积，同样工作叶片也是如此。

从燃烧室中流出的燃气速度不高，约100m/s，进入涡轮叶片后由于叶栅通道是收敛的，燃气在出口处( F1CA)膨胀，使气流的温度、压力大弧度下降，使出口速度C1(ω2)大弧度上升可过600m/s，接近音速，从而走到和完成热能、压力能转换为动能，又由动能转换为机械能。

涡轮总落压比与落压比的关系如下式：πT=πTⅠ πTⅡ⋯⋯πTn涡轮级数比压气机少，有单级、双级，大发到6 级3.叶片的几何尺寸(1).压气机叶片i—进气攻角( β 1K—β1)v—安装角β1K—进气构造角t—栅距β1—进气气流角C max—最大厚度β 2K —排气构造角R q—前缘圆半径图 6 压气机叶片叶栅β2—排气气流角R n —后集缘合参圆数半示径意图δ—落后角θ —叶片弯角S—轴向宽度b/t—叶片稠度b—弦长在设计中需重点控制的参数如下：(a).C max 应控制在叶尖为C max/b=0.04～0.06；而叶根则为：C max/b=0.1～0.12。

(b).i 应控制前几级0～-2°，后几级为1～2°。

(c).R q、R n 可按下曲线计算得出：图7 叶片前后圆半径的求法方法：根据C max及b 查出R q/b、R n/b 然后计算出R q、R n。

(2)涡轮叶片涡轮叶栅平面参数分压气机叶片相同。

注：压气机工作叶片、整流叶片、涡轮工作叶片、导向叶片的叶片平面叶栅构造参数相同。

4.叶片的连接方式无论是压气机叶片还是涡轮叶片，是工作叶片还是导向叶片都必须安装在发动机上使其能工作而且还要牢固，所有发动机的叶片安装方法大致有以下几种：4)压气机工作叶片压气机工作叶片的下部带有燕尾榫头安装在带有燕尾榫槽的轮盘上，如图示：另一种用圆柱销图联接8如燕图尾示型榫头槽口联接图9 用圆柱销联接形式5)压气机的整流叶片整流叶片是静止不动的，因此它将叶片焊在内、外环中如图：6)涡轮工作叶片涡轮工作叶片都带有榫头装在带有榫槽的涡轮盘上，如图示：图11 涡轮工作叶片与轮盘联接7)涡轮导向叶片涡轮导向叶片大多用挂钩涡轮导向叶片大多用挂钩的形式与机匣联接如图12 所示：5.叶片的工作条件压气机叶片含风扇叶片属于冷端部件的零件，除最后几级由于高压下与气体的摩擦产生熵增而使温度升高到约600K(327° C)，其余温度不高，进口处在高空还需防结冰。

工作前面几级图由12于导叶向片叶片长与以机匣离联接方式心负荷为主，后面几级由于温度以热负荷为主。

总之压气机叶片使用寿命较长。

叶片的使用的材料一般为铝合金、钛合金、铁基不锈钢等材料。

涡轮是在燃烧室后面的一个高温部件，燃烧室排出的高温高压燃气流经流道流过涡轮，所有叶片恰好都是暴露在流道中必须承受约1000°C的高温1Mpa 的以上高压燃气的冲刷下能正常工作。

因此叶片应有足够的耐高温和高压的强度。

涡轮叶片的使用寿命远低于压气机叶片约2500h。

叶片的最大应力点如图13 示，其应力分布为C> A>B；C、A 的应力为拉伸应力，B 为压应力，压气机叶片与其相同。

这是转子叶片，静子叶片只承受热应力及弯曲应力，没有离心应力。

叶片使用的材料一般为高温铸造合金如K403、K424 等、和高温合金如GH4133 等，温下高强度材料。

三、叶片加工与控制1.加工叶片的加工分两大部分：一部分为叶片型面加工，一部分为榫头加工及缘板加工：压气机工作叶片的型面是用高能高速热挤压成型后经抛光而成；整流叶片是由冷轧成型经抛光而成。

涡轮叶片的叶型，无论是工作叶片还是导向叶片均为铸件者都是型面没有余量精密铸造件都是大余量经数铣、抛光而成。

压气机叶片和涡轮叶片的榫头及上、下缘板尺寸为机械加工而成。

前面讲过在燃气涡轮发动机的所有零件中唯有叶片的故障率是最高的，造成机毁人亡的事故也时有发生。

这是因为叶片的数量多，工序多、周期长、要求高，加工难度大，加工过程中的形状、位置、烧伤、缺陷、碰伤、材质转工等过程控制中，难免会出现失控的时候，给叶片（尤其是工作叶片）造成伤害，使其带病工作所致。

因此，对叶片生产的全过程控制十分重要。

2.叶片的质量控制我们说控制叶片的质量，主要是三个方面：a.确保叶片设计强度不降低b.确保发动机性能不降低c.确保装配性能好面分别对造成上面三个方面的因素进行分析：1).造成叶片强度下降的因素有如下几点：a..叶片用材不当b.叶片疏松超标 3 级以上c.叶片剖面晶粒粗大3 级以上d.有垂直于进排气边的柱状晶e.根部叶型变薄f.榫齿经处以下到根部有细颈g.进排气边也有碰缺，严重的垂直进排气边的严重划伤，造成应力集中h.根部截面叶型厚度，设计过薄不成比例i.叶片受到严重腐蚀而未能加工掉j.加工中烧伤k.叶片重量偏大l.叶片渗层成形及厚度不合理2).由于叶片加工不当使发动机性能下降的因素有如下几点：a.叶型表面粗糙度过低b.叶片安装角偏离设计值过大c.叶片进排气边圆半径偏大不圆滑d.进气攻角偏离设计值过大e.叶片高度偏小f.叶片重量偏大3.）影响装配的主要因素：a.使用夹具不当加大了加工误差b.尺寸测量方法不正确造成测量误差c.加工部位的形状没有保证如直线度、平面度等d.加工应力过大造成加工后变形e.尺寸加工不到位，符合性差4）. 强度、性能、装配含义的定义强度是指叶片在工作中由于上述因素（11 个方面的因素）降低了叶片的疲劳强度造成叶片裂纹、变形、折断而导致故障，这就是我们常说叶片的疲劳强度不足。

性能是指发动机工作中出现燃油消耗高，排气温度高，输出功率低和喘振等故障，这就是我们所说发动机性能差，这就是说以我们生产的叶片工作不匹配，原因只有两个不足：设计水平低，就是加工符合性差，也就是我们前面所说叶片平面叶栅几何参数不合适，主要原因就是上面6 个方面因素所致。

装配是指工作叶片安装到轮盘上的联接发生了困难，榫头安装不进榫槽或间隙过大，叶片摆动量过大，或过小，轴向、径向凹凸不平；导向叶片的挂钩插不进机匣的环形钩槽，或者过紧，或过松。

周向、轴向、径向、凹凸不平差别很大。

这就是我们所说装配性能差。

造成原因就是上面所述5 个方面的因素所致。

3. 加工1).叶片型面加工目前国内各发动机厂的叶片型面加工方法大体相同：压气机工作叶片：高能高速锤热挤压成形，手工抛光而成。