轴流压缩机空腔碳纤维叶片防冲击设计

袁永伟 赵树朋* 闵殿喜 李险峰

（1.河北农业大学，保定 071000；2.惠阳航空螺旋桨有限责任公司，保定 071000）

风洞是航空航天飞行器及超高速列车研制的必备试验设备，可以说没有一流的大型风洞就没有一流的航空航天工业[1]。风洞的核心部件是压缩机，保证主压缩机性能的核心部件是叶片，复合材料叶片是风洞风机系统中最关键、最核心的部分。叶片的设计和采用的材料决定了风洞轴流压缩机的性能和效率，也决定了叶片的生产成本。目前，只有美国掌握了大型风洞主压缩机高负载、高温度碳纤维叶片技术，并应用于16T 风洞压缩机的叶片，为航空航天飞行器研制提供试验保障。

由于碳纤维叶片所处工作环境复杂，其损伤失效模式较多。JENSEN 等人[2]指出扁平化的空腔薄壁结构和材料分层引起的非线性变形是导致叶片构件出现损坏和变形的主要原因。WERMAW 等人[3]对碳纤维叶片损坏失效进行了相关研究分析，提出叶片比较容易受横向冲击载荷的影响，其中结构设计中铺层分层是最为关键的失效模式之一。现阶段，有关碳纤维叶片结构对异物碰撞产生影响的研究很少。主要针对轴流压缩机空腔碳纤维叶片在低温、潮湿环境下气流入口方向凝结冰粒或者在运转过程中异物随着气流撞击叶片造成损伤进行研究。通过设计叶片结构，在叶片尖部和前缘采用蒙皮保护，减少冲击过程产生的损伤，延长叶片使用寿命，实现轴流压缩机碳纤维叶片的国产化。

1 风洞用轴流压缩机

1.1 轴流压缩机

轴流式压缩机的工作原理是通过高速旋转的叶片对空气做功，空气在扇叶的作用下流动速度快速升高，获得一定的动能，然后再将空气动能输出为压力能。在相同空气流量要求下，轴流压缩机的径向尺寸小，特别适用于大流量、高压力的场合[4-5]。基于这些特点，风洞一般采用轴流压缩机。此次设计的风洞用轴流压缩机空腔碳纤维叶片运行典型工况如表1 所示。

表1 空腔碳纤维叶片运行典型工况

1.2 叶片基本工作参数

叶片是轴流压缩机的核心工作部件，叶片设计在设计过程中占有非常重要的地位。为了满足设计所需的典型工况，本次设计的轴流压缩机叶片长度为4 500 mm，最宽处达到1 200 mm，其基本工作参数如表2 所示。

表2 碳纤维叶片工作参数

2 碳纤维叶片结构设计

碳纤维叶片整体结构如图1 所示，内部采用空腔设计，壁厚为1.25 ～3.95 mm，主要由蒙皮、前缘管、主梁、方管梁和后缘管等部分组成。碳纤维结构内部各向异性，碳纤维叶片主体结构通体采用碳纤维复合材料。

图1 碳纤维叶片整体结构（单位：mm）

如果采用实心结构叶片，那么叶片在受力向下弯曲的过程中，上表面受到的压力和下表面受到的拉力非常猛烈，而中间部位受到的拉、压力很小，因此产生的影响并不大[6]。为了减轻整体质量，叶片一般采用空腔结构，其前端剖视图如图2 所示。

图2 叶片前端剖面图（单位：mm）

观察图2 可知，叶片工作工程中容易发生碰撞的部位位于叶片前端，为了提高叶片碰撞强度与可修复性，在叶片前端处进行蒙皮设计。在叶片的前端，为了保证叶片受力方位与弯曲载荷的相对一致性，蒙皮铺层纤维的排布要依据叶片的受力方向。由于碰撞存在不确定性，铺层选用双向织物比较合适。

3 叶片防冲击设计

3.1 叶片主体设计

由于叶片尺寸较大，一般工艺很难一次性加工成型，本次设计的碳纤维叶片主体采用分体式设计。前缘管1、前缘管2、方管梁和后缘管独立加工制作，通过外侧主梁将它们包裹在一起，再通过热压缩成型工艺完成叶片主体的制作。叶片设计为分体式的目的有两个：一是能够将尺寸较大的复杂叶片分成尺寸较小、结构相对简单的部件进行加工，降低加工难度和加工成本；二是当叶片受到较大冲击时，叶片的独立方格结构将叶片分成不同区域，受冲击区域的方格独立部件能够有效吸收外力，减少冲击力对叶片其他部位的影响。叶片一旦受到大负荷冲击导致击穿，能够有针对性地进行修复，不至于整个叶片报废，提高了叶片的可修复性，延长了叶片的使用寿命。

3.2 蒙皮设计

由于叶片属于薄弱环节，容易发生碰撞损坏，叶片最外层需要进行蒙皮铺层设计[7]。蒙皮设计有效解决了叶片因意外发生轻度碰撞冲击产生的破坏，能够延长碳纤维叶片主体的使用寿命[8]。碳纤维叶片一旦受到轻负荷撞击，蒙皮层会发生破碎，但是碳纤维叶片主体结构不会发生损伤，有效增强了叶片的防碰撞能力。

常见的风力叶片蒙皮铺层材料一般由玻璃纤维和泡沫芯材组成。由于风洞用轴流压缩机的转速高、负载大，普通的蒙皮设计很难保证叶片的使用要求。为了保证铺层的力学性能，本设计材料选用SW280F-100a/8522 玻璃布、平纹碳布/8522 和N40J/8522 共3 种纤维材料多层铺设，总厚度为1.45 mm，大大提高了叶片表面的强度。

根据工程经验和参考文献，对叶片的蒙皮铺层结构进行设计，蒙皮铺层由外而内设置了18 层，如图3所示。根据材料特性，需要保证蒙皮铺层各向异性的要求，设计每层材料的厚度及铺放角度等参数。首先确定铺层坐标系，叶片轴线为0°，逆时针旋转为正，顺时针旋转为负，然后根据纤维材料铺设工艺由内向外进行。

图3 蒙皮铺层图

4 结语

未来飞行器设计将朝着精细化方向发展，对风洞模拟的真实性和试验能力提出更高要求，对风洞用轴流压缩机的要求越来越高，轴流压缩机的叶片设计成为一个技术难点。压缩机叶片运转过程中的冲击、碰撞损伤不可逆，甚至会导致叶片失效，需要进行更换。通过对轴流压缩机碳纤维叶片结构及外侧蒙皮的设计可以实现叶片运转过程中的冲击防护，保证叶片使用过程中的安全性与可靠性。