航空发动机叶片的高科技秘密.docx

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1、航空发动机叶片的高科技秘密目录1.序言1?航空发动机叶片2?你知道叶片在发动机中起多大作用吗？4?叶片的形状设计4?接下来解释叶片为什么一定要扭呢？6?叶片设计的几何参数7?叶片技术的改良7?测量99.结束语13我们都知道，发动机作为飞机中推进系统的一个组成部分，是一种高度复杂和精密的热力机械，它的造价要远远的高于飞机中的其他部件。下面是几种不同型号的航空发动机：图1劳斯莱斯梅林V-12引擎图2一个ULPOWerUL26Oi水平对置气冷式航空发动机图3GEnx商用飞机发动机的内部构造航空发动机叶片首先，我们看几张发动机叶片基本形状和构造。High Pressure Turbine Blades

2、: Work atvery hh tmperaturs temperatures(1390 X) Coold nickd BuperHIoy mustbuMd.FanBlades：Workatlowtemperature.CompressorBlades:Wodcatmoderatetemperatures(490P)Titaniummaybeused.1.owPressureTurbineBlades：TheMopratatakwrtenprature(600P)butdutotheirlargetixshouldhaveasIowadensityaspossible.Inter!earcb

3、eingdevelopedforthisrole.图4发动机简图发动机中叶片主要分为四个部分：扇叶(fanblades)压气机叶片(ComPreSSOrblades)?高压涡轮叶片(highpressureturbineblades)?低压涡轮叶片(bwpressureturbineblades)图5GEn-2B的风扇叶片和进口导流叶图7风扇叶片?.你知道叶片在发动机中起多大作用吗？发动机中完成对气体的压缩和膨胀，并且以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作的就是这众多的叶片。叶片是一种特殊的零件，它数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件一直以来各发动机厂的生产的关键

4、，因此对其投入的人力、物力、财力都是比较大的，而且国内外发动机厂家正以最大的努力来提高叶片的性能，生产能力及质量，以满足需要。?.叶片的形状设计说了这么多，你可能会有疑问了，既然叶片数量多，为什么不把它设计成直的规则图形，而是一个凹的曲线状呢？这样一来既减少了很多加工工艺，又降低了设计难度，可以减少很多成本。为了解释这个问题，先给大家介绍一些基本的概念知识。首先，什么是流道？下图是两个典型的流道图。其次，圆周速度的计算公式是什么？在流道中，由于在不同的半径上，圆周速度是不同的，（这个可以根据下图中的计算公式得到）图10圆周速度最后，什么是气流的攻角？气流的攻角是气流相对于叶片速度方向与叶片弦线

5、夹角。Pi方向?.接下来解释叶片为什么一定要扭呢?由于在流道中，不同半径上的圆周速度是不同的，那么就导致在不同的半径基元级中，气流的攻角相差极大；在叶尖，由于半径大，圆周速度大，就造成很大的正攻角，结果使得叶型叶背产生严重的气流分离；?在叶根，由于半径小，圆周速度小，造成很大的负攻角，结果使得叶型的叶盆产生严重的气流分离。图12叶片背面和端面因此，对于直叶片来说，除了最近中径处的一部分还能工作之外，其余部分都会产生严重的气流分离，也就是说，用直叶片工作的压气机或涡轮，其效率是极其低劣的，甚至会达到根本无法运转的地步。这也就是为什么叶片一定要扭的原因。?.叶片设计的几何参数叶片的几何尺寸如下表:

6、图13压气机叶片叶栅几何参数示意图表1叶片的几何参数参数代号0参数解释旧进气攻角一BIKQ进气构造角一进气气流角,PlK4p排气构造角色，排气Q流角*落后角C轴向宽度b,弦长CV-安装角，t栅距OGna最大厚度RqC前缘扇半径，R-后缘扇半径*叶片弯角2be叶片稠度兀三利后门?.叶片技术的改良由于叶片的好坏优劣直接决定飞机发动机的性能和质量，现如今，在叶片的设计和制造领域仍面临很多挑战。下图是未来技术的一个设想:Shroud less Turbme designs -Advanced Aerod/nanics and PassaQeshapeig-to improve turbine perf

7、ormance and regain performance loss associated with shroudless turbine designsAdvanced mateneb -to reduce component unit CostandaJIowfor higher temperatures.reduce mechanical Ioadngof the blade root al*ng ineased disc lifeAdvanced Manufactunng techniques gee cost reductions and higher volumes图14叶片技术

8、改良它将采用更先进的空气动力学和通道塑造，更先进的制造工艺，尽可能少的套管涡轮机设计，以及更先进的材料，等等。另外，还有GE公司提出的GE9X发动机，风机叶片采用碳纤维复合材料，是一种全新的、更有效的设计，它减少了叶片的数量（从22到18）,并减轻了重图15碳纤维复合材料风机叶片一GE9X发动机叶片的设计技术日益更新和完善，那么就让我们对未来的叶片，未来的发动机拭目以待吧！图16GENX-2B飞机引擎?.测量叶片作为发动机的相关重要部件之一，其在航空发动机制造中所占比重约为30%。由于叶片形状复杂、尺寸跨度大（长度从20mm800mm）、受力恶劣、承载最大，且在高温、高压和高转速的工况下运转，

9、使得发动机的性能在很大程度上取决于叶片型面的设计制造水平。为满足发动机高性能、可靠性及寿命的要求，叶片通常选用合金化程度很高的钛合金、高温合金等材料制成；同时由于叶片空气动力学特性的要求，叶型必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。随着航空发动机性能要求越来越高，各大主机生产厂对叶片加工精度要求也越来越高。目前，航空发动机的叶片制造方法主要有电解加工、铳削加工、精密锻造、精密铸造等。其中，数控铳削加工由于加工精度高、切削稳定、工艺成熟度高等优点而被广泛应用。然而由于叶片零件壁薄、叶身扭曲大、型面复杂，容易产生变形，严重影响了叶片的加工精度和表面质量。如何严格控制叶片的加工误差，保证良

10、好的型面精度，成为检测工作关注的重点。叶片型面是基于叶型按照一定积累叠加规律形成的空间曲面，由于叶片形状复杂特殊、尺寸众多、公差要求严格，所以叶片型线的参数没有固定的规律,叶片型面的复杂性和多样性使叶片的测量变得较为困难。传统的检测方法无法科学地指导叶片的生产加工，随着汽轮机、燃气机等制造业的发展，要求发动机不断更新换代，提高发动机的安全性和可靠性；先进技术的体现在于叶片的改进与创新，从而必须提高叶片制造技术水平，同时要求叶片加工测量实现数字化，体现其精准度，精确给出叶片各点实际数值与叶片理论设计的误差。且随着我国航空发动机制造企业的迅猛发展，发动机叶片数量大、种类多,检测技术面临着前所未有的

11、机遇和挑战。目前，在国内的叶片检测过程中，传统的标准样板测量手段仍占主导地位,效率低下、发展缓慢，严重制约着设计、制造和检测的一体化进程。为适应快速高效检测要求，目前西方发达国家已普遍采用三坐标测量机对叶片进行检测。由于航空发动机叶片的数量大、检测项目多，三坐标检测技术的引入很大程度地改善了叶片制造过程中检测周期长、检测结果不准确以及由于和外方检测方式不一致所导致的检测结果差异过大的问题。三坐标检测所特有的适用性强、适用面广、检测快速、结果准确的这一优点，使得三坐标测量机在叶片生产企业得到广泛应用。近年来，随着我国航空工业的发展，三坐标测量机在叶片生产主机厂家逐渐得到普及。但由于叶片型面复杂、

12、精度要求高，不同厂家的测量方式、测量流程和数据处理方式不同，导致叶片的测量结果不一致，测量工作反复，严重制约着叶型检测效率的提高。叶型检测难点具体表现为：(1)测量精度和效率要求高。叶片型面的测量精度直接反映制造精度，通常要求测量精度达到IoUm,甚至IHm。因此对测量环境要求严格苛刻，通常需要专门的测量室。叶片是批量生产零件，数量成千上万，应尽可能提高测量速度和效率。生产车间和测量室之间的反复运输和等待，使得检测效率低下。(2)测量可靠性要求高。叶片测量和数据处理结果应反映叶片的实际加工状态，这样才能保证叶片的制造质量。(3)数据处理过程复杂。叶片图纸上不但有叶型、弦长、前缘后缘半径等尺寸误

13、差要求，还有叶片的形状轮廓、弯曲、扭转、偏移等形位误差要求。利用三坐标测量机获取的测量数据存在噪点，通常需要对原始的测量点集进一步简化，提取不同的尺寸和特征参数；还需进行复杂的配准运算，迭代求解叶片的形位误差。其中算法选用不同得到的误差评定结果各有差异，导致整个处理过程复杂。叶片测量新技术(1)基于数字样板叶型检测方法。标准样板是根据叶片的理论型线设计制造的与叶型截面对应的母模量具，使用叶片固定座(即型面测具)把叶片固定后，用处于理想位置的叶盆标准样板和叶背标准样板检查叶盆、叶背型面间隙，并反复调整叶片空间位置，以型线的吻合度作为衡量其是否合格的依据。叶型设计图多以透光度，或相对误差来表示，如

14、0.15mm这个比对误差实际上并不是单纯的形状误差，而是形状误差、尺寸误差、位置误差三者的综合体。针对标准样板法的特点和存在的缺点，西北工业大学研究了基于数字样板的检测方法。数字样板检测方法是基于标准样板法的原理，利用数字化测量手段获取测量数据，然后利用虚拟的数字样板，与实测的数据进行匹配，在公差约束条件下达到最佳匹配。最后在该最佳姿态下，求解叶型各项形位误差。下文将数字样板检测方法归纳为三个主要过程：实物样板数字化、匹配过程模型化、误差评定过程自动化。实物样板数字化是将传统的实物样板转换为CAD模型，以数字模型的方式进行样板比对和误差评定。由叶片设计模型构造的三维CAD模型，它包括了加工叶片

15、完整的截面几何信息、基准信息，是数字样板法误差评定的模型基础，可以进行表面轮廓度分析、叶型特征参数和形位误差的分析和评定。对于数字样板法的原始测量点集，主要通过CMM测量获得。在数字样板构造的基础上，通过匹配过程的模型化对测量数据和数字样板自动进行调整。针对数字样板法中的原始测量数据，通常需要进行数据预处理，获取真实有效的型面测量数据参与数字样板检测。其中，数据预处理包括测量点去噪、测头半径补偿、坐标变换、测量点与曲面的配准、测量点排序等。其中，数据处理的第一步，就是对得到的型面测量点进行去噪，筛选有效的测量数据。其次，CMM测量得到的数据是测头球心数据，必须进行测头半径补偿。对于叶片测量时的装夹引起的系统误差，在样板匹配前必须进行坐标系对齐来消除。