航空发动机叶片(中国航发第7代单晶叶片)

在航空空燃气涡轮发动机中，各种叶片(风扇、压气机和涡轮的转子叶片和定子叶片)不仅数量多(一般3000 ~ 4000片甚至更多)，而且要求高，其工作质量对发动机性能影响很大。当它们出现故障时，会对发动机的可靠性和耐久性产生很大的影响。比如压气机第一级的工作叶片断裂，当碎片随气流倒流时，后面几级的叶片甚至涡轮都会损坏。

另一方面，叶片尤其是工作叶片的工作条件相当恶劣，因为它的叶尖切向速度很高(例如GE90高压压气机叶尖的切向速度为455m/s，甚至大于高压涡轮)，承受着很大的离心载荷。对于涡轮机的工作叶片来说，它们必须承受高温。薄而长的叶片，尤其是风扇叶片，工作时会产生振动和颤振问题；

风扇叶片在发动机的入口处，容易被异物(沙子、冰、鸟等)伤害。)被发动机吸入；流入发动机的空气体往往含有沙尘，会磨损叶片表面；高温气体中的一些杂质(如硫)会对涡轮叶片造成腐蚀；如果灰尘进入涡轮的工作叶片，堵塞冷却通道，会立即因超温损坏叶片。

有时候，发动机投入使用时间长了，叶片就不会有问题了；但随着使用时间的增加，叶片原有的型线在长期的沙尘磨损下会被破坏，不仅影响性能，还会影响叶片的振动特性，导致之前不振动的叶片出现振动问题。

比如用于F/A 18战斗机/攻击机的F404发动机，1980年5月投入使用，工作状态一直很好。代表发动机可靠性的空的停车率和返修率逐年下降，趋于稳定。然而，1987年，在累计服役时间超过一百万发动机飞行小时后，高压压气机第一级和第三级叶片发生共振断裂故障，碎片卡在钛叶片尖端和钛机匣之间，形成钛-钛相磨，导致钛机匣起火，导致飞机坠毁。

美国国防部在1987年11月宣布，美国海军已经掉了9架F/A18战斗/攻击机，其中4架是由于叶片振动和断裂引起的钛火。另一个例子是1B B轰炸机的F101发动机。F101发动机是1970年6月研制的。开发过程中进行了大量的测试，是一款不错的发动机。

然而，1990年10月中旬，有两架b1b在飞行中，差点因为发动机起火造成飞机失事的重大事故。经研究，是由于1级风机叶片在沙尘的磨蚀作用下长期工作，固有振动频率发生变化，在某些转速下发生共振，导致某叶片断裂。一个叶片断裂后，转子不平衡量增大，发动机振动增大，导致锁紧叶片的卡环断裂，其他叶片相继脱离轮盘，导致发动机起火。

由于这一故障危及飞机的飞行安全，美军空决定将所有b1b(共97架)停飞至1991年2月5日，以便分析故障和修改发动机(采用新的加厚卡环)。但在停飞期间，1991年1月17日，多国部队对伊拉克发动了“沙漠风暴”空攻击，于是B1B轰炸机成为美国空海军中唯一没有参加“沙漠风暴”作战的飞机。

中国自行研制的Y7飞机于1992年春节前后全面停飞。原因是其发动机(WJ5)1级涡轮叶片在使用中连续断裂4次，严重危及飞机飞行安全。再比如，1994年6月10日和17日，两架F15E战斗机在飞行中涡轮叶片断裂，导致发动机空停转。

它使用的发动机是F100 PW 229，这是一种既有高性能(推重比8)又有高可靠性的发动机。是目前西方国家服役的最先进的发动机之一(另一款F110 GE 129发动机)。1988年12月底开始装备美国空陆军。

损坏的叶片是低压涡轮的第二级工作叶片。1993年4月和6月，在飞行中有两次叶片断裂。当时认为这批叶片铸造质量有缺陷，只需要更换这批有缺陷的叶片。

但1994年10月事件再次发生后，分析表明F15E低速空高速飞行时，叶片上的振动和过大的气动载荷导致叶片开裂。

所以作为应急措施，除了严格要求飞机低速空飞行时速度不能超过1020km/h外，超过200个战术循环的发动机都要拆卸更换。

这样停飞了75架F15E，占总数200架的38%。作为最终解决方案，应加宽叶根，增加相应轮盘的轮缘厚度，以降低叶片的应力值。这一改变将使发动机的重量增加5.9千克。

上述四个例子说明，发动机叶片断裂会造成极其严重的后果，有些故障在设计开发试验中还没有发现，只是在非常复杂的条件下使用一定时间后才会出现。

因此，在发动机的设计和开发过程中，不仅要对叶片的强度和振动进行仔细的分析和计算，而且要在试验台上测量它们的应力和振动值。更重要的是，在整个发动机测试中，需要更全面地模拟现场条件，以评估其强度和振动。

随着发动机性能和可靠性的不断提高，叶片的设计(气动设计和结构设计)有了很大的改进。

例如，目前在风扇、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮的工作叶片和静子叶片中(例如在GE90和CFM567等发动机中)已经完全采用了三元流的气动设计，而在80年代后期，只有部分叶片(例如风扇叶片和低压涡轮叶片)采用了三元流。

小展弦比宽弦叶片已广泛应用于风机和压缩机。扩散性(CDA)曲线不仅用于压气机叶片，也用于某些发动机的定子叶片。

在90年代初研制的发动机(如波音777用的GE90、PW4084、Trent 800发动机)中，大风扇叶片已经采用了宽弦无肩的设计，取代了传统的带肩叶片；“正交叶片”不仅用于增压压缩机，也用于中压压缩机和低压涡轮(遄达800)；

弯曲静子叶片从1993~1994年开始在PW4084高压压气机上使用，估计很快会被其他发动机效仿。复合材料大型风扇叶片已成功应用于GE90发动机。

在涡轮叶片中，由单晶材料制成的工作叶片已经广泛用于发动机中。随着涡轮进口燃气温度从1650~1700K发展到80年代中期的1850~1900K，涡轮叶片不仅需要采用耐高温性能更高的镍基合金，冷却设计也越来越复杂，冷却效果也越来越高。与此同时，高效隔热涂料得到了广泛应用。

倾斜涡轮导向叶片不仅广泛应用于小型涡轮轴和涡桨发动机，也广泛应用于大推力涡扇发动机的高压涡轮。具有可控涡流可变功率设计的中压和低压涡轮也用于一些发动机中。

为解决叶片振动问题，在工作叶片根部加装阻尼块的设计已广泛应用于风机和涡轮叶片。为了提高效率，在压气机叶片的榫头上安装密封条已被广泛采用。

整体叶盘已被用于新设计的军用和民用发动机，如军用发动机中的F414、EJ200和F119，民用发动机中的BR710。估计其他发动机很快也会采用整体叶盘，整体叶环结构还在研发中。这些都给叶片的结构设计、强度设计和振动设计带来了新的问题。