航空发动机风扇和压气机叶片简述及设计体系的启示
2013-07-10 11:54阅读：
航空发动机风扇和压气机叶片简述及设计体系的启示
班级：1002201 姓名：苗雪冬 学号：1100200408
摘要：本文简要介绍了国外高性能航空发动机先进的风扇和压气机叶片的特点、发展和应用，主要是掠形叶片。归结出以经验为基础的设计体系要点和工程科学方法。然后对
1990年以来国外最新的风扇/压气机设计体系进行分析讨论，最后结合风扇／压气机设计和设计体系发展的实际，引出几个有启发性的问题，以供进一步研究讨论。
关键词 ：风扇 压气机 设计体系 叶片 航空发动机
1 引言
随着气动设计技术、结构技术和材料技术的不断发展，世界著名的航空发动机设计与制造公司开发和验证了多种先进叶片技术
，如掠形转子叶片、弓形静子叶片、吹吸叶片、分流小叶片、空心叶片
、复合材料叶片，有些已经应用到现役或在研的航空发动机风扇和压气机上，并取得了很好的效果。这些先进叶片技术的不断成熟和应用，将给未来高性能高推重比航空发动机风扇和压气机带来一系列益处
，包括级增压比将更高、结构将更紧凑 、质量将更轻、气动稳定性将更好、费用将更低，最终使风扇实现单级化、压气机级数显著减少。
2 掠形转子叶片
2、1 概念和特点
风扇和压气机掠形转子叶片是
1种新的3D气动布局。它是将叶片的前缘法平面设计成与来流方向有 1个较大的夹角
，以达到尽可能地削弱叶片槽道的激波，进而根本消除影响效率的主要因素。因掠变方向不同，而将掠形叶片分成后掠叶片和前掠叶片。这2种叶片既有共同优势，又有各自的优缺点
：
1、当叶片开始振动时，前掠叶片的气流趋向于加强叶片振动；后掠叶片的气流趋向于阻尼叶片振动。前掠叶片的高后缘应力可能超过折断载荷，并具有叶根应力高和叶尖偏移量大等特性，而后掠叶片的强度和振动问题不如前掠叶片的突出。
2、无论前掠叶片 ，还是后掠叶片，都能降低跨声速风扇和压气机转子的叶尖进口相对马赫数的法向分量 ，从而降低叶片的激波损失
，提高效率。前掠叶片还能降低端壁和附面层的
损失 ，从而进一步提高效率 。GE公司研制的前掠风扇的效率较常规风扇的提高了 4％。
2、2 发展和应用
掠形转子叶片是在 20世纪 40年代 ，于气动后掠机翼在飞机上得到成功应用之后
，逐步发展起来的。20世纪90年代，随着航空发动机空心叶片和整体叶盘结构的应用 ，高强度低密度材料的出现 以及计算流体动力学的进展
，GE、PW、RR和 SNECMA等公司在进一步研究后掠叶片的同时
，也广泛研究了前掠叶片；并且发展了复合掠形转子叶片(是指叶片的根部少量后掠、尖部(或中上部)前掠的叶片)，根部少量后掠可以取得气动减载的效果，尖部或中上部前掠可以提高叶片的性能和加大风扇与压气机的喘振裕度。另外
，为了克服前掠叶片颤振问题 ，还发展了叶片带箍设计，即在叶尖上加 1个环带，约束叶片的振动 ，消除其颤振 ；由于叶片的箍受力非常大
，需要在金属箍外面短绕碳纤维复合材料 ，来承受叶片 、盘和箍产生的离心力。经过多年的研究和验证
，风扇和压气机掠形转子叶片目前已经逐步应用到现役和在研的军民用涡扇发动机上。如 ，GE公司研制的
GE90—115B和GENX发动机(配装 Boeing787飞机)的风扇都采用了3D气动设计的掠形转子叶片，大大提高了效率，增大了流量
，从而增加了推力 ，提高了耐久性 ；F414增推型发动机 2级高增压比风扇与前3级 (共6级)高压压气机 、F136发动机
5级整体叶盘结构的高压压气机也采用了复合材料的3D气动设计的前掠叶片，提高了气动性能，减轻了质量，提高了风扇的气动性能和稳定性
。
3 宽弦叶片的概念和特点
风扇和压气机宽弦叶片是指展弦比较小的叶片。它是为解决风扇和压气机带凸肩的窄弦实心叶片存在的结构和性能不足而研制的。与带凸肩的窄弦叶片相比，宽弦叶片具有以下特点：
(1)去掉凸肩，使风扇和压气机空气动力学特性得到改善 ，流量有所增大，效率明显提高 ；
(2)增宽弦长，使风扇和压气机的长度缩短，抗外物损伤能力、抗疲劳特性和失速裕度得到提高；
(3)增宽弦长，还可使风扇和压气机零件数减少，生产与制造费用 因此降低 。
4 20世纪90年代美英等国典型的风扇／压气机设计体系
1、初步设计——事先从整体上论证、预估所设计的风扇 ／压气机方案的可行性
2、通流设计——s2 程序与经验输入的协调设计
3、叶片造型(二元)——任意叶型的气动优化造型
4、叶片造型 (三元)——叶片的三元优化造型
5、放大尺寸的试验件研究——多级核心压气机研究平台
5 国外发展风扇／压气机设计体系经验的一些启示
国外长期发展设计体系的经验是多方面的，至少有以下几点对我们发展自已的设计体系有启示作用
，其带有规律性的经验值得借鉴。
5、1对经验设计体系基本方法的认识和理解
经验数据的积累与产品研制是相辅相成的．是“鸡生蛋
，蛋生鸡”的关系。因此，经验数据的积累主要靠我们自己。国外发动机公司都把经验数据的积累、整理研究和通用化放在十分重要的位置。另外
，风扇／压气机
的发展也大多采用系列化渐进模式，以在经验数据的积累与产品研制的滚动发展过程中尽量增加数据的继承性，减少风险，缩短周期。
5、2风扇和核心压气机研究重点的不同
从美英风扇和核心压气机研究经验可知，风扇往往以突破单级设计技术，控制与激波有关的损失为重点，如
NAFCOT计划。而核心压气机研究则以突破级匹配为重点，如 NGTE的
C147计划和SNECMA研制核心压气机的计划。GE公司采用的低速模拟多级环境与 NGTE和
SNECMA高速核心压气机放大叶间间隙测量本质是一致的，都是为了解决多级压气机叶片排之间复杂流场的测量，解决级匹配等问题
。虽然风扇和核心压气机研究重点不同，但设计体系的框架结构是相同的， S2一S1程序和 3DN—S程序也是相同的。
6 结论
6、1 GE、PW、RR和 CFMI公司长期致力于开发风扇／压气机的先进气动技术——掠形叶片设计技术 。进 入 90年 代
，已比较深入地 理解和认识了前掠和后掠叶片的气动力学机理，并设计
、加工、试验、验证了大量的前掠和后掠叶片的风扇／压气机，取得了重大突破。GE公司已验证了前掠较后掠在气动效率
、喘振裕度和抗畸变能力方面更优。可以预言 ，掠形气动设计技术将成为改进和改型的现役和在研发动机以及设 计先进的推比
I5～25的航空发动机的关键气动技术之一。
6、2几个启发性的问题：
(1)燃机产业是具有重大的经济效益和社会效益的高科技产业，对经济和国防具有极端重要的作用，已经有辉煌的历史，更会有美好的未来。
(2)5～10年以后，在我国将形成一个需求极大的燃机市场。若国产燃机能占领这块市场，对国民经济的贡献将是数百亿、甚至上千亿元人民币。
(3)国外以航机核心机技术为基础、系列化派生开发各种功率档次、满足不同使用要求燃机的成功经验，可供我们借鉴。
(4)时代为我们创造了建立具有自主知识产权燃机产业的机遇，我国已具备了初步条件。
(5)政府要出面组织，列人计划，注人资金。给予政策上的扶持 。
参考文献
1 梁春华，杨锐．航空发动机宽弦空心风扇叶片的发展及应用．航空发动机，1999，(2)：54—58．
2 梁春华．提高压气机压比的～项新技术 一轴流压气机分流小叶片．国际航空，2004，(10)：53—55．
3 梁春华．国外风扇压气机掠形叶片技术的发展．航空发动机 ，2000，(4)：48—51．
