航空燃气涡轮发动机中,各种叶片(风扇、压气机、涡轮的转子叶片与静子叶片)不仅数量大(一般有3000~4000件,甚至更多),而且要求高,它的工作好坏对发动机性能影响极大;当它们出现故障后,对发动机的可靠性与耐久性的影响也是极大。例如,压气机前几级工作叶片如果折断,其断片随气流向后流时,会打坏后面各级甚至涡轮的叶片。
另一方面看,叶片特别是工作叶片工作条件又比较恶劣,它的叶尖切线速度大(例如,GE90高压压气机叶尖切线速度为455m/s,高压涡轮还要大),所承受的离心负荷大,对于涡轮工作叶片,还要承受高的温度;叶片薄而长,特别是风扇叶片,在工作中会出现振动与颤振问题;
风扇叶片处于发动机进口处,易被发动机吸入的外来物(砂石、冰块与鸟等)打伤;流入发动机的空气往往会含带有砂尘,这些砂尘会磨蚀叶片表面;高温燃气中的某些杂质(例如硫)会对涡轮叶片造成腐蚀;砂尘如果进入涡轮工作叶片使冷却通道堵塞,会立即使叶片超温损坏等。
有时在发动机投入使用后较长的时间内,叶片不会出问题;但是随着使用时间增加后,叶片长期在砂尘的磨蚀下,原始型面被破坏,除影响性能外,还影响叶片的振动特性,会使原来不会出现振动的叶片,出现振动问题。
例如,F/A 18战斗/攻击机用的F404发动机,1980年5月投入使用,发动机工作情况一直很好,表征发动机可靠性的空中停车率与返修率逐年下降并趋于稳定。但是,在累计使用时间超过100多万发动机飞行小时后的1987年,却出现了高压压气机1级与3级叶片共振断裂故障,断片卡在钛制叶片的叶尖与钛制机匣间,形成钛一钛相磨引起钛机匣着火,造成飞机失火而摔机。
美国国防部于1987年11月宣布,当年美国海军共摔F/A18战斗/攻击机9架,其中4架是由于叶片振动断裂引起的钛着火而造成的。另一例子是B 1B轰炸机用的F101发动机。F101发动机是从1970年6月开始研制的,研制中曾进行过大量试验,是一种较好的发动机。
但是,1990年10月中,先后有2架B1B在飞行中由于发动机失火,险些造成摔机的重大事故。经研究,是由于1级风扇叶片经过长期工作在砂尘的磨蚀作用下,自振频率改变,在某些转速下引起共振,造成某个叶片断裂。1片叶片折断后转子不平衡度加大,发动机振动加大,造成锁紧叶片的卡环断裂,其他叶片也就纷纷甩离轮盘引起发动机失火。
由于这一故障危及飞机飞行安全,美国空军决定全部B1B(共97架)停飞到1991年2月5日,以便分析故障并对发动机进行改装(换装新的加厚的卡环)。但是,就在停飞期间,1991年1月17日开始了多国部队对伊拉克实施“沙漠风暴”的空袭行动,因此B1B轰炸机成为美国空、海军中唯一在“沙漠风暴”中未参加作战的飞机。
我国自行研制的 Y7飞机,在1992年春节前后,也曾遭到基本全面停飞的局面。其原因也是由于它的发动机(WJ5)1级涡轮工作叶片在使用中连续出现4次断裂故障,严重危及飞机飞行安全所采取的强制性措施。再一个例子是,1994年6月10日与17日两架F15E战斗机在飞行中,涡轮工作叶片断裂,造成发动机空中停车的重大事件。
它所用的发动机是F100 PW 229,是被人们称为既有高的性能(推重比为8),又有高的可靠性的发动机,是目前在西方国家服役的最先进的发动机之一(另一种F110 GE 129发动机),它于1988年12月底开始装备美国空军。
损坏的叶片是低压涡轮第2级工作叶片,1993年4月、6月也曾出现过两次在飞行中叶片断裂故障。当时分析认为是该批次的叶片铸造质量有问题所致,只要将这批有疵点的叶片换下即可。
但是,在出现1994年10月的再次事件后,再进行分析,认为是 F15E在低空作高速飞行时,叶片上的振动与过大的气动负荷促使叶片产生裂纹。
因此,作为应急措施,除严格规定飞机在低空飞行时速度不能大于1020km/h外,对于工作循环超过200个战术循环的发动机都需拆换。
这样,有75架F15E停飞,占全部200架的38%。作为最终的解决方法是将叶根加宽,相应轮盘的轮缘厚度也加大,以降低叶片承受的应力值。这一改动将使发动机重量增加5.9kg。
以上所述的4个例子,说明发动机叶片出现断裂故障后,会造成极为严重的后果,而且有些故障在设计与发展试验中并未发现,只是在使用到一定时间后,在非常复杂的使用条件下才会出现。
因此,在发动机设计发展过程中,不仅要对叶片工作进行细致的强度与振动分析计算,还要在试验台上实测其应力与振动值,更重要的是要在发动机整机试验中,更多地用更全面地模拟外场使用条件来考核其强度与振动。
随着发动机性能与可靠性的不断提高,叶片的设计(气动设计与结构设计)也得到极大的改进。
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与静子叶片中,已全面采用三元流的气动设计(例如 GE90和CFM567等发动机中),而在20世纪80年代后期,仅在某些叶片(例如风扇叶片与低压涡轮叶片)上采用三元流;
在风扇与压气机的叶片中,已广泛采用小展弦比的宽弦叶片;可控扩散度(CDA)叶型不仅在压气机工作叶片中采用,而且在某些发动机中的静子叶片中采用;
在20世纪90年代初期发展的发动机(例如用于波音777的GE90、PW4084与遄达800发动机)中大的风扇叶片已采用宽弦无凸肩的设计,取代了传统的带凸肩的叶片;“正交叶片”不仅用于增压压气机中,而且也用于中压压气机与低压涡轮〔遄达800〕中;
弯曲形的静子叶片于1993~1994年已开始用于PW4084的高压压气机中,估计将很快被其他发动机所效仿;复合材料制的大风扇叶片已成功地用于 GE90发动机中;
在涡轮叶片中,单晶材料制造的工作叶片在发动机中已广泛采用;随着涡轮进口燃气温度由20世纪80年代中期的1650~1700K向1850~1900K发展,涡轮叶片不仅要采用更耐高温的镍基合金,而且冷却设计越来越复杂,冷却效果越来越高,同时已广泛采用了高效的隔热涂层;
复合倾斜的涡轮导向器叶片不仅在小型涡轮轴与涡轮螺旋桨发动机中广泛采用,在大推力的涡扇发动机的高压涡轮中,也已得到全面采用;可控涡变功量设计的中压与低压涡轮,也在一些发动机中采用。
为解决叶片振动问题,在工作叶片根部处加减振块的设计,已广泛用于风扇与涡轮叶片中;为提高效率,在压气机工作叶片的榫根上加装封严条带,已得到较普遍地采用。
整体叶盘(blisk)已开始在新设计的军民用发动机中采用,例如军用发动机中的F414、EJ200 与 F119, 民用发动机的BR710,估计将很快地在其他发动机上采用,目前还在发展整体的叶环(bling)结构。所有这些,均对叶片的结构设计、强度设计与振动设计带来一些新问题。
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