1发动机叶片一、 发动机与飞机1. 发动机种类1） 涡轮喷气发动机（WP）WP5、WP6、WP7、……WP132） 涡轮螺桨发动机（WJ）WJ5、WJ6 、WJ73） 涡轮风扇发动机（WS）WS9、WS10、WS114） 涡轮轴发动机（WZ）WZ5 、WZ6、WZ8、WZ95） 活塞发动机（HS）HS5 、HS6、HS92. 发动机的结构与组成燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件以及燃油系统、滑油系统、空气系统、电器系统、进排气边系统及轴承传力系统等组成 （发动机的整体构造如下图 1）三大部件中除燃烧外的压气机与涡轮都是由转子和静子构成，静子由内、外机匣和导向（整流）叶片构成；转子由叶片盘、轴及轴承构成，其中叶片数量最多（见表 1～5）风扇高压压气机燃烧室高压涡轮低压涡轮加力燃烧室喷管3. 发动机工作原理及热处理过程发动机的整体结构2工作原理：发动机将大量的燃料燃烧产生的热能，势能给涡轮导向器斜切口膨胀产生大量的动能，其一部分转换成机械功驱动压气机和附件，剩余能由尾喷管膨胀加速产生推力热力过程：用 p-υ 或 T-S 图来表示发动机的热力过程：4. 飞机与发动机发动机是飞机的动力，也是飞机的心脏，不同用途的飞机配备不同种类的发动机。
如：1） 军民用运输机、轰炸机、客机、装用 WJ、WS、WP 类发动机2） 强击机、歼击机、教练机、侦察机、装用 WP、WS、HS类发动机3） 军民用直升机装用 WZ 类发动机二、 叶片在燃气涡轮发动机中叶片无论是压气机叶片还是涡轮叶片，它们的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的图 1.发动机等压加热理想循环过程3压缩和膨胀以及以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作叶片是一种特殊的零件，它的数量多，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，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，生产能力及质量满足需要1. 叶片为什么一定要扭在流道中，由于在不同的半径上，圆周速度是不同的，因此在不同的半径基元级中，气流的攻角相差极大，在叶尖、由于圆周速度最大，造成很大的正攻角，结果使叶型叶背产生严重的气流分离；在叶根，由于圆周速度最小，造成很大的负攻角，结果使叶型的叶盆产生严重的气流分离因此，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，其效率极其低劣的，甚至会达到根本无法运转的地步。
发动机叶片数量统计如下（以 WJ6、WS11 为例）表：1. WJ6压气机叶片数量见表 1 表 1 级 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Σ工作叶片25 31 35 45 53 53 53 51 51 61 458整流叶片34 40 44 62 62 74 74 74 74 82 620Σ 59 71 79 107 115 127 127 125 125 143 1078涡轮叶片数量见表 2 表42级 1 2 3 Σ工作叶片 106 86 82 274导向叶片 46 50 54 150Σ 152 136 136 424发动机叶片总数1078+424=15021502×500=751000按平均价格 500 元/片，总产值 3.755 亿2.WS11压气机叶片总数见表 3 表 3级 1 2 3 4 5 6 7 8 9 后 Σ工作叶片39 49 51 61 59 73 77 79 79 567整流叶片50 58 62 66 70 72 76 76 100 100 730Σ 89 107 113 127 129 145 153 155 179 100 1297风扇叶片数量见表 4 表 4级 1 2 3 Σ工作叶片 22 27 29 78整流叶片 34 36 44 114Σ 56 63 73 192涡轮叶片数量见表 5 表 5级 高压 低压 1 低压 2 Σ工作叶片 90 110 94 294整流叶片 51 83 79 213Σ 141 193 173 507叶片总数51297+192+507=1996按 300 台计2000×300=600000 片按 500 元/片计价共计产值 3 亿元。
2. 叶片的工作原理1) 压气机叶片顾名思义,压气机是用来“压气”地,把进口大气压 PH=1 的压力压到出口处的所需要的压力.我们下图来分析其压缩的原理：气体在图 2 中的流道内由于其容积越来越小而将气体的压力图 3 基元级叶栅通道6“憋”得越来越高在图 2 中由于叶栅通道内的相对运动中截面积扩大，引起速度下降，ω 1＞ω 2，气流的动能减少，减少的动能大部分转化为气流的压力能，从而使气流的压力提高 P1＞P 2工作轮的任务不仅要提高压力，而且要不断给气流假如轮缘功 Lu 使气流不断的被压缩压气机叶片中有工作叶片和整流叶片之分，工作叶片是随着转子旋转的，而整流叶片是静止不动，给工作叶片进口或出口紊乱的气流进行整理使气流有序的流动减少流动损失气流在整流叶片中同样是增压过程压气机的级数往往有很多级，这是因为它的级增压比不高，一般在 1.2 左右，要将气流压力提高到很高，则需很多级来完成总压比与级压比的关系是 π n*=π nIπ KIIπ KIII……π Kn 压气机级数一般都是 8 级以上2）涡轮叶片通过涡轮的流程通道和基元级叶片叶栅通道的结构型式来分析涡轮叶片的工作原理7从图 3 和图 2 可看出其气流进出口的状态正好相反。
气流流过图 3 的流道时由于面积越来越大而压力越来越低这是由于气流流过叶栅通道 F1CA 和 F2PK 膨胀过程中的压力下降很快所需要的容积其原理为：由于涡轮叶片进口面积 FZ 大于出口面积，同样工作叶片也是如此从燃烧室中流出的燃气速度不高，约 100m/s，进入涡轮叶片后由于叶栅通道是收敛的，燃气在出口处（F 1CA）膨胀，使气流的温度、压力大弧度下降，使出口速度 C1（ω2 ）大弧度上升可过600m/s，接近音速，从而走到和完成热能、压力能转换为动能，又由动能转换为机械能涡轮总落压比与落压比的关系如下式：π *T=π TⅠ π TⅡ ……π Tn涡轮级数比压气机少，有单级、双级，大发到 6 级3.叶片的几何尺寸图 5.涡轮基元叶栅通道8（1）.压气机叶片i—进气攻角（β 1K—β 1） v—安装角β 1K—进气构造角 t—栅距β 1—进气气流角 Cmax—最大厚度β 2K—排气构造角 Rq—前缘圆半径β 2—排气气流角 Rn—后缘圆半径δ—落后角 θ—叶片弯角S—轴向宽度 b/t—叶片稠度b—弦长在设计中需重点控制的参数如下：(a).Cmax 应控制在叶尖为 Cmax/b=0.04～0.06；而叶根则为：Cmax/b=0.1～ 0.12。
b).i 应控制前几级 0～ -2°，后几级为 1～2°c).Rq、R n 可按下曲线计算得出：图 6 压气机叶片叶栅集合参数示意图9方法：根据 Cmax 及 b 查出 Rq/b、R n/b 然后计算出 Rq、R n2）涡轮叶片涡轮叶栅平面参数分压气机叶片相同注：压气机工作叶片、整流叶片、涡轮工作叶片、导向叶片的叶片平面叶栅构造参数相同4.叶片的连接方式无论是压气机叶片还是涡轮叶片，是工作叶片还是导向叶片都必须安装在发动机上使其能工作而且还要牢固，所有发动机的叶片安装方法大致有以下几种：4） 压气机工作叶片压气机工作叶片的下部带有燕尾榫头安装在带有燕尾榫槽的轮盘上，如图示：图 7 叶片前后圆半径的求法10另一种用圆柱销联接如图示5） 压气机的整流叶片整流叶片是静止不动的，因此它将叶片焊在内、外环中如图：图 8 燕尾型榫头槽口联接图 9 用圆柱销联接形式116） 涡轮工作叶片涡轮工作叶片都带有榫头装在带有榫槽的涡轮盘上，如图示：7） 涡轮导向叶片涡轮导向叶片大多用挂钩涡轮导向叶片大多用挂钩的形式与机匣联接如图 12 所示：图 11 涡轮工作叶片与轮盘联接示意图图 10 整流叶片与内外环组的整流环125. 叶片的工作条件压气机叶片含风扇叶片属于冷端部件的零件，除最后几级由于高压下与气体的摩擦产生熵增而使温度升高到约 600K（327°C） ，其余温度不高，进口处在高空还需防结冰。
工作前面几级由于叶片长以离心负荷为主，后面几级由于温度以热负荷为主总之压气机叶片使用寿命较长叶片的使用的材料一般为铝合金、钛合金、铁基不锈钢等材料涡轮是在燃烧室后面的一个高温部件，燃烧室排出的高温高压燃气流经流道流过涡轮，所有叶片恰好都是暴露在流道中必须承受约 1000°C 的高温 1Mpa 的以上高压燃气的冲刷下能正常工作因此叶片应有足够的耐高温和高压的强度涡轮叶片的使用寿命远低于压气机叶片约 2500h叶片的最大应力点如图 13 示，图 12 导向叶片与机匣联接方式13其应力分布为 C＞A＞B；C、A 的应力为拉伸应力，B 为压应力，压气机叶片与其相同这是转子叶片，静子叶片只承受热应力及弯曲应力，没有离心应力叶片使用的材料一般为高温铸造合金如K403、K424 等、和高温合金如 GH4133 等， 温下高强度材料三、 叶片加工与控制1. 加工叶片的加工分两大部分：一部分为叶片型面加工，一部分为榫头加工及缘板加工：压气机工作叶片的型面是用高能高速热挤压成型后经抛光而成；整流叶片是由冷轧成型经抛光而成涡轮叶片的叶型，无论是工作叶片还是导向叶片均为铸件者都是型面没有余量精密铸造件都是大余量经数铣、抛光而成。
压气机叶片和涡轮叶片的榫头及上、下缘板尺寸为机械加工而成前面讲过在燃气涡轮发动机的所有零件中唯有叶片的故障率是最高的，造成机毁人亡的事故也时有发生这是因为叶片的数量多，工序多、周期长、要求高，加工难度大，加工过程中的图 13 叶型应力分布示意图14形状、位置、烧伤、缺陷、碰伤、材质转工等过程控制中，难免会出现失控的时候，给叶片（尤其是工作叶片）造成伤害，使其带病工作所致因此，对叶片生产的全过程控制十分重要2. 叶片的质量控制我们说控制叶片的质量，主要是三个方面： a. 确保叶片设计强度不降低b. 确保发动机性能不降低c. 确保装配性能好下面分别对造成上面三个方面的因素进行分析：1）.造成叶片强度下降的因素有如下几点：a..叶片用材不当b.叶片疏松超标 3 级以上c.叶片剖面晶粒粗大 3 级以上d.有垂直于进排气边的柱状晶e.根部叶型变薄f.榫齿经处以下到根部有细颈g.进排气边也有碰缺，严重的垂直进排气边的严重划伤，造成应力集中h.根部截面叶型厚度，设计过薄不成比例i.叶片受到严重腐蚀而未能加工掉j.加工中烧伤k.叶片重量偏大15l.叶片渗层成形及厚度不合理2).由于叶片加工不当使发动机性能下降的因素有如下几点：a.叶型表面粗糙度过低b.叶片安装角偏离设计值过大c.叶片进排气边圆半径偏大不圆滑d.进气。