航空燃氣渦輪發動機中,各種葉片(風扇、壓氣機、渦輪的轉子葉片與靜子葉片)不僅數量大(一般有3000~4000件,甚至更多),而且要求高,它的工作好壞對發動機性能影響極大;當它們出現故障後,對發動機的可靠性與耐久性的影響也是極大。例如,壓氣機前幾級工作葉片如果折斷,其斷片随氣流向後流時,會打壞後面各級甚至渦輪的葉片。

　　另一方面看,葉片特别是工作葉片工作條件又比較惡劣,它的葉尖切線速度大(例如,GE90高壓壓氣機葉尖切線速度為455m/s,高壓渦輪還要大),所承受的離心負荷大,對于渦輪工作葉片,還要承受高的溫度;葉片薄而長,特别是風扇葉片,在工作中會出現振動與顫振問題;

　　風扇葉片處于發動機進口處,易被發動機吸入的外來物(砂石、冰塊與鳥等)打傷;流入發動機的空氣往往會含帶有砂塵,這些砂塵會磨蝕葉片表面;高溫燃氣中的某些雜質(例如硫)會對渦輪葉片造成腐蝕;砂塵如果進入渦輪工作葉片使冷卻通道堵塞,會立即使葉片超溫損壞等。

　　有時在發動機投入使用後較長的時間内,葉片不會出問題;但是随着使用時間增加後,葉片長期在砂塵的磨蝕下,原始型面被破壞,除影響性能外,還影響葉片的振動特性,會使原來不會出現振動的葉片,出現振動問題。

　　例如,F/A 18戰鬥/攻擊機用的F404發動機,1980年5月投入使用,發動機工作情況一直很好,表征發動機可靠性的空中停車率與返修率逐年下降并趨于穩定。但是,在累計使用時間超過100多萬發動機飛行小時後的1987年,卻出現了高壓壓氣機1級與3級葉片共振斷裂故障,斷片卡在钛制葉片的葉尖與钛制機匣間,形成钛一钛相磨引起钛機匣着火,造成飛機失火而摔機。

　　美國國防部于1987年11月宣布,當年美國海軍共摔F/A18戰鬥/攻擊機9架,其中4架是由于葉片振動斷裂引起的钛着火而造成的。另一例子是B 1B轟炸機用的F101發動機。F101發動機是從1970年6月開始研制的,研制中曾進行過大量試驗,是一種較好的發動機。

　　但是,1990年10月中,先後有2架B1B在飛行中由于發動機失火,險些造成摔機的重大事故。經研究,是由于1級風扇葉片經過長期工作在砂塵的磨蝕作用下,自振頻率改變,在某些轉速下引起共振,造成某個葉片斷裂。1片葉片折斷後轉子不平衡度加大,發動機振動加大,造成鎖緊葉片的卡環斷裂,其他葉片也就紛紛甩離輪盤引起發動機失火。

　　由于這一故障危及飛機飛行安全,美國空軍決定全部B1B(共97架)停飛到1991年2月5日,以便分析故障并對發動機進行改裝(換裝新的加厚的卡環)。但是,就在停飛期間,1991年1月17日開始了多國部隊對伊拉克實施“沙漠風暴”的空襲行動,因此B1B轟炸機成為美國空、海軍中唯一在“沙漠風暴”中未參加作戰的飛機。

　　我國自行研制的 Y7飛機,在1992年春節前後,也曾遭到基本全面停飛的局面。其原因也是由于它的發動機(WJ5)1級渦輪工作葉片在使用中連續出現4次斷裂故障,嚴重危及飛機飛行安全所采取的強制性措施。再一個例子是,1994年6月10日與17日兩架F15E戰鬥機在飛行中,渦輪工作葉片斷裂,造成發動機空中停車的重大事件。

　　它所用的發動機是F100 PW 229,是被人們稱為既有高的性能(推重比為8),又有高的可靠性的發動機,是目前在西方國家服役的最先進的發動機之一(另一種F110 GE 129發動機),它于1988年12月底開始裝備美國空軍。

　　損壞的葉片是低壓渦輪第2級工作葉片,1993年4月、6月也曾出現過兩次在飛行中葉片斷裂故障。當時分析認為是該批次的葉片鑄造質量有問題所緻,隻要将這批有疵點的葉片換下即可。

　　但是,在出現1994年10月的再次事件後,再進行分析,認為是 F15E在低空作高速飛行時,葉片上的振動與過大的氣動負荷促使葉片産生裂紋。

　　因此,作為應急措施,除嚴格規定飛機在低空飛行時速度不能大于1020km/h外,對于工作循環超過200個戰術循環的發動機都需拆換。

　　這樣,有75架F15E停飛,占全部200架的38%。作為最終的解決方法是将葉根加寬,相應輪盤的輪緣厚度也加大,以降低葉片承受的應力值。這一改動将使發動機重量增加5.9kg。

　　以上所述的4個例子,說明發動機葉片出現斷裂故障後,會造成極為嚴重的後果,而且有些故障在設計與發展試驗中并未發現,隻是在使用到一定時間後,在非常複雜的使用條件下才會出現。

　　因此,在發動機設計發展過程中,不僅要對葉片工作進行細緻的強度與振動分析計算,還要在試驗台上實測其應力與振動值,更重要的是要在發動機整機試驗中,更多地用更全面地模拟外場使用條件來考核其強度與振動。

　　随着發動機性能與可靠性的不斷提高,葉片的設計(氣動設計與結構設計)也得到極大的改進。

　　例如,目前在風扇、高壓壓氣機、高壓渦輪和低壓渦輪的工作葉片與靜子葉片中,已全面采用三元流的氣動設計(例如 GE90和CFM567等發動機中),而在20世紀80年代後期,僅在某些葉片(例如風扇葉片與低壓渦輪葉片)上采用三元流;

　　在風扇與壓氣機的葉片中,已廣泛采用小展弦比的寬弦葉片;可控擴散度(CDA)葉型不僅在壓氣機工作葉片中采用,而且在某些發動機中的靜子葉片中采用;

　　在20世紀90年代初期發展的發動機(例如用于波音777的GE90、PW4084與遄達800發動機)中大的風扇葉片已采用寬弦無凸肩的設計,取代了傳統的帶凸肩的葉片;“正交葉片”不僅用于增壓壓氣機中,而且也用于中壓壓氣機與低壓渦輪〔遄達800〕中;

　　彎曲形的靜子葉片于1993~1994年已開始用于PW4084的高壓壓氣機中,估計将很快被其他發動機所效仿;複合材料制的大風扇葉片已成功地用于 GE90發動機中;

　　在渦輪葉片中,單晶材料制造的工作葉片在發動機中已廣泛采用;随着渦輪進口燃氣溫度由20世紀80年代中期的1650~1700K向1850~1900K發展,渦輪葉片不僅要采用更耐高溫的鎳基合金,而且冷卻設計越來越複雜,冷卻效果越來越高,同時已廣泛采用了高效的隔熱塗層;

　　複合傾斜的渦輪導向器葉片不僅在小型渦輪軸與渦輪螺旋槳發動機中廣泛采用,在大推力的渦扇發動機的高壓渦輪中,也已得到全面采用;可控渦變功量設計的中壓與低壓渦輪,也在一些發動機中采用。

　　為解決葉片振動問題,在工作葉片根部處加減振塊的設計,已廣泛用于風扇與渦輪葉片中;為提高效率,在壓氣機工作葉片的榫根上加裝封嚴條帶,已得到較普遍地采用。

　　整體葉盤(blisk)已開始在新設計的軍民用發動機中采用,例如軍用發動機中的F414、EJ200 與 F119, 民用發動機的BR710,估計将很快地在其他發動機上采用,目前還在發展整體的葉環(bling)結構。所有這些,均對葉片的結構設計、強度設計與振動設計帶來一些新問題。

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