航空发动机叶片及其发展趋势

孙方成,于 群,石 宏（沈阳航空航天大学航空航天工程学部,沈阳 110136）

1 引言

科技的发展促进了社会的进步，社会的进步加速了人类对飞行器的需求。当今社会各式各样的飞行器被广泛的应用于生产、生活、国防、科研等领域，无论是军用还是民用都在追求性能更加强大的飞行器，而拥有一台性能强劲的航空发动机是提升一架飞行器性能的先决条件，因此研发高性能的航空发动机已成为国内外航空发动机制造的首要目标。

要提高航空发动机的性能就必须首先提升叶片这一关键部位。例如涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是温度承载能力，已成为一种型号发动机先进程度的重要标志。从某种意义上说,它也是一个国家航空工业水平的重要标志。

当今航空发动机向着高功率、高负荷方向发展，而叶片是其核心部件，因此对叶片的性能提出了更为苛刻的要求[1]。影响叶片性能的因素有很多，其自身因素有叶片的叶型、叶身的形状、凸肩及叶冠的结构等，其外在因素有流道半径、气流攻角、气流分离、动静部件间的匹配状况、气体工质的热物理性质、总体的阻力特性和运动状态、叶片转速等。其中主导因素为叶片的形状结构。

2 叶片结构及分类

叶片的结构是影响航空发动机工作效率的重要原因，了解叶片结构，有利于对叶片工作原理的了解，有利于对航空发动机性能的改进及叶片的设计、制造及研究。叶片主要由叶身、叶冠及榫头三部分构成，其中某些叶片还具有凸肩结构。

（1）叶身结构。叶身作为叶片的主体部分，其叶型截面为按一定规律积叠而成的空间曲面，在由若干基元叶型截面共同构成了叶身外型型面。叶身内型面具有复杂的内腔结构，这些结构可令来自于进气道的冷空气通过，进而带走热量起到散热和冷却的作用。内腔结构复杂，表现方式也不尽相同，常见的有扰流注、纵向肋、横向肋等。

（2）缘板结构。缘板结构简单，它的作用是固定叶片，便于叶片的拆装，适用于叶片之间的联接，有时能起到方便叶片与机匣联接的作用。

（3）榫头结构。榫头是涡轮叶片与叶片轮盘联接和承力的重要部位。榫头的形状多变，常用榫头结构可按横向端面形状主要可以分为销钉形、燕尾形和枞树形等三类。其中常见的形式为枞树形，榫头的齿数由2齿到6齿不等。

航空发动机叶片按名称可分为压气机叶片和涡轮叶片[2]，其中压气机叶片又分为高压压气机叶片和低压压气机叶片，涡轮叶片又分为高压涡轮叶片和低压涡轮叶片。

航空发动机叶片按结构可分为销钉形榫头叶片，燕尾形榫头叶片，燕尾形榫头叶片，枞树形榫头带冠叶片，枞树形榫头带锯齿冠叶片，带凸肩叶片。

3 叶片安装

（1）选型叶片，为提高转子的平衡性，叶片安装前要按配合尺寸（叶片根部尺寸）、质量、固有频率和静力矩进行选配[3]。

（2）叶片编号与安装，各级叶片按质量递减的次序编号，如最重的叶片为1号，装在轮盘最轻点方向的槽中（根据第一平衡标明），除特殊情况外，一般在轮盘上相对直径上叶片的质量差最小，其余按质量差依次排列的相邻两叶片（质量差很小）在相对直径位置上安装，即最重叶片与次重叶片相对安装，最重叶片与最轻叶片相邻安装，次重叶片与次轻叶片相邻安装，以此类推。叶片按质量递减次序在盘上分布。

其中叶片锁紧主要为以下几种方法：销钉连接，锁片、销钉槽向固定，燕尾槽形榫头锁片槽向固定，卡环槽向固定，凸台、钢丝槽向固定，枞树形榫头槽向固定。

（3）带叶片的各级盘静（或动）平衡。

4 叶片发展现状及未来趋势

航空发动机叶片的发展主要体现在以下几个部分：

（1）叶片形状，叶身型面由原来简单的径向积叠转变为空间任意积叠，如倾斜积叠、复合弯掠积叠等[4]。

（2）叶片材料，美国PW公司发明了高温合金定向凝固技术使铸造合金的力学性能显著提高，随后又由铸造的多晶结构发展为定向结晶结构，现在已实现能将整个叶片铸造成一个晶体，而单晶叶片铸造的理想情况为完美的多晶体组成，这种结构可提高叶片的耐高温性能，从而提高发动机性能，在高效率、高性能的同时还能够延长叶片的使用寿命。

（3）叶片的设计，传统叶片设计由二维图纸来描述其复杂的结构特征，很难实现将叶片的完整性表现出来，且工作量巨大，容易出现误差。现在采用3D建模方法，不仅易于结构设计，还能够通过仿真软件模拟分析进行结构优化设计。使得叶片设计周期短，收益大。

航空发动机叶片未来发展趋势:

由于单晶合金具有高强度、高塑性和耐高温等特点，使得目前仍然是发动机叶片的首选材料。而对于新型材料的开发的脚步却从未间断。新型材料的叶片，例如碳纤维/钛合金复合材料叶片、金属间化合物叶片及陶瓷叶片等。在不远的将来，伴随着性能更加出色的材料出现，极大的促进了航空发动机叶片的设计和制造，届时我们将拥有飞的更高、更快、更远、更节能、更舒适的飞行器。

5 结束语

作为航空发动机工作的主要部件，航空发动机叶片承担着提供强大推力的任务，但也存在着结构复杂，工作条件恶劣，寿命有待提高及较高性能要求等问题。因此，了解航空发动机叶片的结构及分类、安装、发展现状及其未来的发展趋势有利于对其进行深刻认识，有利于研究、发展叶片制造技术，进而为推动祖国航空航天事业的发展作出贡献。

[1]杨积东.转子系统故障的若干非线性动力学问题研究[J].沈阳:东北大学出版社,2001.

[2]李杰,樊丁,彭凯,航空发动机压气机导流叶片调节器切换特性[J].推进技术,2009(05).

[3]石宏.航空发动机装配工艺技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.

[4]陆佳艳,何小妹,熊昌友等.航空发动机叶片造型方法研究[J].计量学报,2009(10).