高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述
梁春华
(沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015)
摘要:详细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。所介绍的叶片,包括掠形转子叶片、弓形静子叶片、吹吸叶片、分流小叶片、空心叶片和复合材料叶片。
关键词:风扇 压气机 叶片 航空发动机
O verv i e w of Advanced Fan and Co mpressor B lade/V ane
i n H igh Perfor mance A eroeng i n e
Liang Chunhua
(Shenyang Aeroeng i n e Research I nstitute,Shenyang110015,China)
Ab stract:The fea t ure s,deve l op m ent and applica tion o f advanced fan and compresso r blade/vane in f o re i gn h i gh per-fo r mance ae roeng i ne a re i n troduced in deta i.l T he blades/vanes menti oned incl ude s w ept ro t o r blade,bo w ed stato r vane,aspirated b l ade,sp litt e r b l ade,ho llow b l ade,and co m po sit e b l ade.
K ey w ord s:fan;co m pre sso r;b l ade/vane;aeroeng ine
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 宽弦叶片
2.1 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
收稿日期:2005-06-09
作者简介:梁春华(1968—),高级工程师,1991年毕业于郑州航空管理学院,从事航空发动机情报研究工作。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。
2.2 发展和应用
20世纪60年代以前,由于机械设计水平较低,航空涡扇发动机的风扇和压气机叶片普遍采用窄弦设计。而为了控制风扇和压气机窄弦叶片固有的气动不稳定性和提高其抗外物损伤能力,通常采用1～2排凸肩。这些凸肩造成压力损失、流量限制和气流扰动,使整个转子叶片的效率有较大的损失,增大了涡扇发动机的燃油消耗率。为此,人们开始进行去掉风扇转子叶片凸肩的探索研究,结果发现,若去掉风扇转子叶片的凸肩,需要将叶片的弦长比原来增宽40%～45%(以获得固有的气动稳定性),并将叶片数减少1/3。于是,在此研究基础上发明了宽弦叶片。
在20世纪60年代,英国和美国等国家的航空
发动机公司开始了对风扇和压气机宽弦叶片的设计、加工和试验研究。70年代,英国RR 公司成功地
开发了第1代风扇钛合金空心宽弦叶片,并成功地应用。90年代以来,英国RR 公司、美国P W 公司和GE 公司、法国SNEC MA 公司不断地研制和改进风扇和压气机钛合金宽弦叶片的气动和结构性能,并广泛地应用到大涵道比涡扇发动机和高推重比小涵道比涡扇发动机上。TEC H 56技术计划验证机和F119发动机的宽弦叶片分别如图1,2所示
。
图1 TECH56技术 图2 F119发动机 计划的实心宽弦叶片 压气机的宽弦叶片
从某种意义上说,宽弦叶片已经成为现役和在研发动机的关键技术,与3D 气动掠形、空心结构、
整体叶盘结构和更轻且更强的钛金属基复合材料技术相结合,未来的发展和应用前景会更好。
3 掠形转子叶片
3.1 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)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)后掠叶片使叶片端区的负荷前移;当反压升高时,尖部激波很快被推出前缘,造成失速。而前掠使叶片端区的负荷后移;当反压升高时,叶中部分的波系首先被推出前缘,但叶尖部分激波还在槽道
内,不易引起失速。因而,在喘振裕度和抗畸变能力方面,前掠叶片较后掠叶片更优。P W 公司研制的2级后掠风扇的失速裕度仅为6%;而GE 公司对比研究的后掠转子R8的失速裕度仅为1.25%,前掠转子R9的为11.5%。
(3)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。3.2 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 、P W 、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
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。
4 弓形静子叶片
4.1 概念和特点
弓形静子叶片是为消除和推迟静子叶排拐角气流分离,而采用3D 气动设计技术研制的叶片。属
于在第1,2代端弯静子、端壁涡流发生器、静叶上反和展向弯曲之后,以先进的流体动学技术为基础发展起来的新技术。
与正常的径向积叠的静子叶片相比,弓形静子叶片的叶根有1个正倾斜角,叶尖有1个负倾斜角,能够产生降低吸力面拐角扩散速度的径向力,从而推迟拐角分离的开始,减少端壁损失,提高压气机静子核心流段的压升能力,使压气机在整个流量范围内压力特性更稳定,效率大大提高。4.2 应用
目前,弓形静子叶片技术已经得到成功验证,并开始应用。P W 公司在P W 4084高压压气机上最先采用弓形静子叶片,减少了端壁损失和提高了效率。之后,P W 、CF M I 、GE 公司均采用了3D 气动设计的弓形静子叶片,取得了明显的收益。图3示出了F110-GE -132发动机压气机的弓形静子
。
图3 F110-G E -132发动机的弓形静子
5 分流小叶片
5.1 概念和特点
分流小叶片就是在全弦长叶片后增加的1排小叶片,具有大大提高轴流压气机叶片排增压比和减少气流引起的振动等特点,是使轴流压气机级增压比达到3或3以上的有发展潜力的技术。
在不损失大稠度大叶片排的气动性能的情况下,分流小叶片技术能够控制叶片后缘的气流分离,即能保证后面的叶片排有较大的气流折转角,提高功的传递;由进口区控制,不影响叶片排的流通能力,也不影响进口区的稠度。5.2 发展和潜在应用
轴流风扇和压气机要取得高的增压比,就需要高稠度的宽弦叶片排,也就是需要更多的叶片和更宽的叶型。而叶片增多和端壁表面面积增大会导致
压气机损失增加、堵塞加剧、流量减小,对气动性能
产生不利影响。
鉴于分流小叶片在高增压比离心压气机上收到
了降低叶片后部(或径向部分)负荷的明显效果,研究人员开始探索将分流小叶片应用于轮毂半径轴向变化大的高负荷轴流压气机或混合流压气机上。
20世纪70年代起,美国GM 公司的Robert 等人和美国空军推进动力试验室的W enne rstr o m 等人设计的分流小叶片轴流压气机转子没能取得理想的设计效果。随着风扇和压气机气动设计技术的发展,在90年代,美国的霍尼韦尔(H oney w e ll )/G E 公司研制和验证了分流小叶片(如图4所示)。试验表明,采用分流小叶片的转子具有很高的增压比和效率,且减轻了质量,降低了费用。
图4 I HPTET 计划研制的分流小叶片转子
相信,分流小叶片技术将来能够被应用到需要
较短长度取得很高增压比的多种发动机上。
6 吹吸叶片
6.1 概念
风扇和压气机吹吸叶片(带吹吸附面层装置的
叶片)是指在叶片吸力面开孔,吹吸叶片表面的低能气体,防止或推迟叶片和端壁附面层分离,使叶型可以达到很大的弯度,进而大大提高风扇和压气机级负荷的1种新技术。6.2 发展
90年代中后期,GE 公司和麻省理工学院(M I T )等研究机构开始进行吹吸叶片技术的广泛研究,包括机理、设计和应用研究。M I T 采用3D 黏性分析,验证了采用了吹吸叶片的单级压气机。该压气机采用轴对称通流程序和有反设计能力的准3D 叶栅面程序设计,叶尖速度为450m /s 、级增压比为3.5;在转子和静子的吸力面沿展向开缝,用4%的进口质量流量吹吸叶片和端壁附面层,用3%的空气吹吸接近激波冲击位置的叶根和叶冠的附面层,
如图5所示。图5 M IT 研究的吹吸叶片
另外,M I T 通过试验验证了1个采用吹吸叶片
的风扇级。该风扇级转静子吹吸0.5%进口流量空气;增压比为1.6、绝热效率为89%、换算叶尖转速为229m /s 。M I T 目前正在研究增压比为27、采用吹吸叶片的3级对转高速压气机。该压气机的叶尖速度要尽可能高,以提高气流做功能力;叶片展弦比较小,以适应每个叶排大的涡流变化;每个叶片排流路收敛得较大,以得到更小的流路拐角。
GE 公司F414增推型发动机的2级高增压比风扇转子叶片的吸力面计划采用放气系统,以提高风扇的气动性能和稳定性。图6示出了GE 公司研制的1种流量可控叶片
。
图6 G E 公司研制的流量可控叶片
7 空心叶片
7.1 概念和特点
风扇和压气机宽弦叶片由于采用空心结构(所以称之为空心叶片),加之整体叶盘结构和轻质高强度的复合材料等技术的应用,质量大大减轻,解决了实心叶片本身以及相应的机匣等质量过大的问题。风扇和压气机的质量进一步减小。
风扇空心叶片并不是绝对空心的,为了提高叶片的强度,在空腔内采用了一些加强结构。7.2 发展和应用
(1)液态扩散连接的空心叶片
20世纪60年代,英国和美国等国家的航空发
动机公司开始进行风扇宽弦空心叶片的设计、加工
和试验研究。
80年代初,英国RR 公司成功地开发和应用了
采用蜂窝内芯的第1代风扇钛合金宽弦空心叶片。该叶片由2块钛合金面板和1块蜂窝芯板,采用活性扩散连接工艺加工而成。2块钛合金外蒙皮(面板)由1块有小空腔的薄壁钛合金蜂窝内芯隔开并支撑,沿径向从叶根到叶尖逐渐变薄,沿轴向从前缘到后缘逐渐变薄,在质量和结构完整性2方面达到
了最佳。
(2)超塑成形/扩散连接的空心叶片
20世纪80年代末,RR 、P W 、GE 、SNEC MA 等公司开始研制超塑成形/扩散连接(SPF /D B )的风扇钛合金宽弦空心叶片,并很快在气动设计和加工工艺等方面取得了很大进展。由于具有气动性能先进、抗振能力较强、质量较轻、加工成本较低等特点,该叶片目前已经广泛地应用在大涵道比涡扇发动机验证机上,并将陆续应用到先进的高推重比、小涵道比涡扇发动机上。图7,8示出了F119和TRENT8104发动机的空心叶片。
图7 F119发动机 图8 TREN T8104 的空心叶片 发动机的空心叶片
相信,风扇和压气机宽弦空心叶片将成为高推重比(10～20)军用发动机的标志性技术之一。
8 复合材料叶片
GE 公司研制的GE90系列发动机采用了复合材料风扇转子叶片。该叶片由I M 7中长碳纤维与增强的8551-7环氧树脂组成的称为"大力神"的材料加工而成;其压力面涂有聚氨脂防腐涂层,叶身的吸力面涂有一般的聚氨脂涂层。
为了提高叶片抗大鸟撞击的能力,将钛合金薄片用3MAF191胶粘在叶片前缘上;为了避免工作中复合材料叶片胶层,在叶尖与后缘处用Kevle r 细线缝合;叶片根部的三角形榫头承受压力的表面涂有低摩擦系数的耐磨材料。
采用上述复合材料和工艺的风扇叶片,不但明显减轻了叶片本身的质量,还减轻了其包容系统、盘以及整个转子系统的质量,具有成本低、抗振(抗颤振)性能好、抗损伤能力强等特点。
P W 公司研制的P W 4084和P W 4168发动机的风扇静子采用了PR500环氧树脂基复合材料;F119发动机压气机静子采用了耐温能力比P M R15树脂基复合材料高55℃的AFR700B 高温树脂基复合材料。另外,为了提高F119和F135发动机的性能,正在开发复合材料风扇转子叶片技术。
9 结束语
综观国外高性能航空发动机风扇和压气机的现状与发展,以及I H PTET 、UEET 、AMET 等先进技术研究计划验证的风扇与压气机叶片技术,可以发现:(1)高性能、轻质量和高稳定性一直是风扇和
压气机研制所追求的目标。宽弦叶片、掠形叶片、弓形叶片等是已经较成熟的提高风扇和压气机效率与级负荷的关键技术,分流小叶片、吹吸叶片等可能是
未来提高风扇和压气机效率与负荷的重要技术。 (2)空心等新颖结构和树脂基复合材料与金属基复合材料等先进材料是减轻风扇和压气机质量的关键技术。
参考文献
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(责任编辑 李华文)
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图6 泵的效率变化
由图6可见,流量小于900L /h 时,泵的效率较
高,达到83%以上;随着流量的增大,泵的效率呈缓慢降低的趋势。流量大于900L /h 时,泵的效率急剧下降。这主要是因为泵发生了气蚀,使泵的泄漏量和各种损失都增加得很快,因而效率明显下降。
5 结论
(1)通过分析泵的螺旋诱导轮的流动,建立了泵的扬程和功率计算方程,进而计算了泵的效率。 (2)通过对比计算与试验结果,证明了所建立
的计算方法适用于计算在正常工作范围内工作的泵
的性能。
(3)从计算结果来看,在泵的允许工作范围内,螺旋离心泵具有较高的扬程、增压能力和工作效率,能够较好满足小流量、高增压和高效率的工程实际要求。
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(责任编辑 沈广祥)