大型航空发动机主要用什么压气机（航空发动机主要零部件设计之压气机工作叶片）

大型航空发动机主要用什么压气机（航空发动机主要零部件设计之压气机工作叶片）自从20世纪80年代中期投入使用的PW4000发动机中采用可控扩散度叶型设计后 目前在一些新发动机中不仅工作叶片 有的在静子叶片中也采用这种叶型。(2)可控扩散度叶型下面分别叙述叶型设计中的一些特殊问题。(1)跨声速叶片通常 压气机工作叶片均按进入叶片的气流相对速度低于声速设计 即所谓的亚声速叶型 但为了提高级增压比 要大幅度提高叶片叶尖切线速度(WP6为315m/s WP7为380m/s CFM56 为 400 m/s M53 为420 m/s GE90 为 455 m/s F100为460~470m/s) 因此 进入叶片的气流相对速度将大于当地声速 特别是前几级叶片中 空气的温度较低 更易于达到或超过声速。为此 叶型设计成超声速的。在长叶片中(在前几级压气机中 均属长叶片) 叶尖处半径与叶根处半径相差较大 使两处的切线速度相差较大 叶尖处气流相对速度大于声速 而叶根处则远低于声速 即

压气机(风扇)工作叶片一般由叶身与榫头(叶根)两部分组成 如图1所示。对于叶高较大的叶片(即长叶片) 常在叶身距叶尖1/3附近处设有减振用的凸肩或凸台(如图1(d)所示) 个别发动机在风扇叶片上做有叶冠(CFM56-2)。

2.1 压气机工作叶片叶身

图1、压气机工作叶片

下面分别叙述叶型设计中的一些特殊问题。(1)跨声速叶片通常 压气机工作叶片均按进入叶片的气流相对速度低于声速设计 即所谓的亚声速叶型 但为了提高级增压比 要大幅度提高叶片叶尖切线速度(WP6为315m/s WP7为380m/s CFM56 为 400 m/s M53 为420 m/s GE90 为 455 m/s F100为460~470m/s) 因此 进入叶片的气流相对速度将大于当地声速 特别是前几级叶片中 空气的温度较低 更易于达到或超过声速。

为此 叶型设计成超声速的。在长叶片中(在前几级压气机中 均属长叶片) 叶尖处半径与叶根处半径相差较大 使两处的切线速度相差较大 叶尖处气流相对速度大于声速 而叶根处则远低于声速 即一个叶片上 叶尖处按超声速设计 叶根处按亚声速设计。故称这种叶片为跨声速叶片。

现在较先进的涡扇发动机中 几乎在第1级处均采用跨声速的叶型设计。在 WP7发动机的6级压气机中 前4级均做成跨声速的 第5级叶尖相对速度也等于声速 这是少有的。

(2)可控扩散度叶型

自从20世纪80年代中期投入使用的PW4000发动机中采用可控扩散度叶型设计后 目前在一些新发动机中不仅工作叶片 有的在静子叶片中也采用这种叶型。

所谓可控扩散度叶型(CDA)是指在叶型通道中的扩散度是按设计要求所控制的 通常所用的叶型如图2(a)所示 在尾缘叶背处 由于附面层的作用 会产生分离的漩涡 不仅减少了有效的流通面积 而且会降低效率 易引起喘振。另外 前后缘处的厚度较薄 在砂尘的磨蚀作用下 叶形易发生变化 使发动机性能恶化快。

在采用 CDA叶型后 通过改变叶片流道的扩散度 消除了尾缘处的附面层分离现象 不仅减小了损失 有效的流通面积加大 而且使喘振裕度加大;另外 这种 CDA叶型的前后缘较厚 如图2(b)所示 对抗外来的砂尘磨蚀有好处 而且叶弦较大 在保持一定的稠度下叶片数目可减少42%左右。

图2、可控扩散度叶型与常规叶型的比较

(3)宽弦设计

图3、高压压气机第1级工作叶片比较

宽弦(即小展弦比)的高压压气机工作叶片已逐渐取代常规的大展弦比工作叶片。图3示出 GE公司三种典型发动机CF6 80C2、CFM56与 GE90的第1级高压压气机工作叶片的照片图。由图3可以看出CF6 84C2的叶片细而长 当然其厚度也小 而 GE90的叶片显得十分强壮。

实际上 采用小展弦比叶片后 不仅叶片在强度与振动方面有较好的特性 而且气动性能也较好。表1中列出几种发动机的压气机参数。

表、几种发动机压气机的参数

普惠公司为100座支线客机发展的PW6000发动机中 高压压气机与增压压气机的工作叶片均采用了小展弦比的设计。按原计划该发动机于1998年底取得适航证 2000年装支线客机投入航线营运(后因飞机计划取消 发动机未能继续发展) 因此 它是民用发动机中较新的型号。

这个事例说明 民用发动机中不仅高压压气机将用小展弦比叶片取代大展弦比叶片 而且增压压气机也将是这个趋势。

在军用发动机中 F414是在20世纪末投入使用的最后一种小涵道比涡扇发动机 其推重比达到9.0。它的3级风扇叶片均采用了小展弦比叶片和高叶尖切线速度(518m/s)设计。

图4 、F404、F414高压压气机第1级叶片比较弦比叶

图4示出F414第1级叶片与F404的第1级叶片的外形照片。F414是在F404的基础上 增加空气流量(约16%)发展而成的。 由照片上可以看出 F414的展弦比显然比F404的小。

按照片所示的轮廓尺寸可以算出 F404与F414的展弦比分别为1.98与1.50 说明军用发动机也向小展 图4 F404、F414高压压气机第1级叶片比较弦比叶片发展。

(4)叶尖削薄

在有些发动机中 将压气机叶尖处削薄 如图5所示。即在叶尖比较小的一段高度上 将叶型的材料铣去一部分 使叶型原来的中弧线C-C变成 C'-C' 这样 叶型弯角明显加大 即由θ增加到θ′ 这种设计称为中弧过弯。由于中弧过弯的作用 使叶尖处的加功量加大 从而延迟了端壁附面层的分离。

这不仅扩大了压气机的稳定工作范围 还有利于提高增压比和效率。另外 由于叶尖削薄变成像刀片一样 当万一叶尖与机匣相碰时 也不会引起严重后果 所以叶尖和机匣间可以采用较小的径向间隙 这就可以减少漏气损失 从而提高了压气机效率。

图5、叶尖削薄的叶型

(5)端弯叶片

具有端弯设计的叶片(静子叶片与工作叶片)是将叶片叶尖与叶根前后缘稍作弯曲的一种设计 图6示出其外形图。这种设计的叶片 能消除端壁附面层的影响 因而可提高压气机的喘振裕度与效率。

图6、带端弯的工作叶片、静子叶片

首次公开这种端弯叶片图形的是罗·罗公司的 RB211 535E4 该发动机是专用于波音757双发客机的 于1985年投入航线营运。后来 也发布了 V2500 发动机端弯叶片图片。普惠公司在PW4000上也采用了 但却被称为第二代可控扩散叶型。CFM56 3的叶片上也采用了这种设计。

需指出的是 端弯不是直接将做好的常规叶片用夹具将其扳弯的 而是通过机械加工将它从坯件上直接加工出来的。

(6)正交叶片

正交叶片已由在增压压气机上采用 扩展到在中压压气机、低压涡轮中采用。所谓正交叶片是指叶片叶身与气流流动方向呈直角正交。图7示出的增压压气机转子上的叶片 就是典型的正交叶片。

在高涵道比涡轮风扇发动机中 增压压气机装于大风扇叶片后的轮盘上 处于风扇叶片后与高压压气机之间 此处气流是向后并向内呈弧线流动的 如果叶片按常规将叶身做成与鼓筒外径呈直角相交 那么气流是以一定夹角流向叶身的 会带来一定的气动损失。

为了获得较高的效率 将叶身做成与气流流动方向垂直 这样 叶片叶身不与鼓筒垂直相交而是向后倾斜的。显然 这种设计在气动方面带来一定好处 但由强度方面看 却带来不利之处 即叶根处除承受叶片的离心载荷外 还要承受由于叶片斜装带来的附加弯曲载荷。

但是 对于增压压气机而言 由于它的转速低、直径小 上述两种负荷都比较小 因而影响不大 所以 目前大多数高涵道比涡扇发动机的增压压气机工作叶片均做成正交的。

1994年投入使用的遄达700(装在A330 上)发动机在中压压气机的后两级叶片上 也采用了正交叶片 如图8所示。这是在高转速转子上采用正交叶片的第一种发动机;随后 在遄达800(1996年投入使用的波音777上采用的发动机)中压压气机中也采用这种结构。 遄达800还在低压涡轮上采用了正交叶片 如图9所示。