孫方成,于 群,石 宏(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部,沈陽(yáng) 110136)
科技的發(fā)展促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步,社會(huì)的進(jìn)步加速了人類對(duì)飛行器的需求。當(dāng)今社會(huì)各式各樣的飛行器被廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、國(guó)防、科研等領(lǐng)域,無(wú)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(tái)性能強(qiáng)勁的航空發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)已成為國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的首要目標(biāo)。
要提高航空發(fā)動(dòng)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(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。從某種意義上說(shuō),它也是一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)水平的重要標(biāo)志。
當(dāng)今航空發(fā)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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)。
葉片的結(jié)構(gòu)是影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的重要原因,了解葉片結(jié)構(gòu),有利于對(duì)葉片工作原理的了解,有利于對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)及葉片的設(shè)計(jì)、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(lái)自于進(jìn)氣道的冷空氣通過(guò),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(jiàn)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(jiǎn)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(shí)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(jiàn)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(dòng)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(dòng)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。
(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(hào)與安裝,各級(jí)葉片按質(zhì)量遞減的次序編號(hào),如最重的葉片為1號(hào),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(duì)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?。┰谙鄬?duì)直徑位置上安裝,即最重葉片與次重葉片相對(duì)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(tái)、鋼絲槽向固定,樅樹形榫頭槽向固定。
(3)帶葉片的各級(jí)盤靜(或動(dòng))平衡。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)部分:
(1)葉片形狀,葉身型面由原來(lái)簡(jiǎn)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(guó)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(gè)葉片鑄造成一個(gè)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(dòng)機(jī)性能,在高效率、高性能的同時(shí)還能夠延長(zhǎng)葉片的使用壽命。
(3)葉片的設(shè)計(jì),傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)由二維圖紙來(lái)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(lái),且工作量巨大,容易出現(xiàn)誤差?,F(xiàn)在采用3D建模方法,不僅易于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),還能夠通過(guò)仿真軟件模擬分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。使得葉片設(shè)計(jì)周期短,收益大。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片未來(lái)發(fā)展趨勢(shì):
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(dòng)機(jī)葉片的首選材料。而對(duì)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(lái),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(dòng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和制造,屆時(shí)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。
作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的主要部件,航空發(fā)動(dòng)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(wèn)題。因此,了解航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)及分類、安裝、發(fā)展現(xiàn)狀及其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)有利于對(duì)其進(jìn)行深刻認(rèn)識(shí),有利于研究、發(fā)展葉片制造技術(shù),進(jìn)而為推動(dòng)祖國(guó)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(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究[J].沈陽(yáng):東北大學(xué)出版社,2001.
[2]李杰,樊丁,彭凱,航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)葉片造型方法研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2009(10).