大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的變遷

從1970年先后投入使用的JT9D與TF39發(fā)動(dòng)機(jī)，到2020年將要投入使用的GE9X，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展正好經(jīng)歷了50年。這50年中，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的變化令人眼花繚亂，其中，風(fēng)扇葉片是變化最大的構(gòu)件之一。

第一款大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的誕生

TF39發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上第一型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，也是唯一一型將增壓級(jí)裝在風(fēng)扇前的發(fā)動(dòng)機(jī)。TF39是在J79發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上衍生發(fā)展而來，將去掉第一級(jí)壓氣機(jī)的J79作為核心機(jī)，在前端裝上一級(jí)風(fēng)扇，風(fēng)扇前再裝一級(jí)增壓級(jí)（被稱為1 級(jí)風(fēng)扇，如圖1所示），由6級(jí)低壓渦輪驅(qū)動(dòng)。

分流環(huán)將外涵氣流與內(nèi)涵氣流分開，其尖部距風(fēng)扇葉片葉根較近，說明由風(fēng)扇葉片流出的空氣大部分流入外涵道，僅少量的空氣進(jìn)入核心機(jī)，由此產(chǎn)生高達(dá)8的涵道比，這不僅在當(dāng)時(shí)（20世紀(jì)六七十年代）是最高的，而且在其后20多年一直保持著最高的紀(jì)錄，直至1995年才被GE90發(fā)動(dòng)機(jī)（涵道比為9）超過。

其他大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓級(jí)均裝在風(fēng)扇葉片之后，將風(fēng)扇后流入核心機(jī)的部分空氣進(jìn)一步增壓，而在TF39中，經(jīng)過前置增壓級(jí)增壓后的空氣僅一部分流入核心機(jī)，另一部分則流入外涵道。另外，不同于其他大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇前均無進(jìn)口導(dǎo)向葉片，TF39發(fā)動(dòng)機(jī)由于風(fēng)扇前有增壓級(jí)及包容氣流通道的罩環(huán)，罩環(huán)通過36個(gè)葉片與風(fēng)扇機(jī)匣相連，這36個(gè)葉片成為風(fēng)扇外部的進(jìn)口導(dǎo)向葉片。

早期采取的防振與防撞措施

風(fēng)扇葉片薄而長，又處于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處，在設(shè)計(jì)中需解決兩大問題：一是葉片振動(dòng)問題；二是抗外物，特別是飛鳥撞擊的問題。為此，在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展初期，基本上是通過在葉身距葉尖三分之一附近處增加一個(gè)凸肩（個(gè)別的有兩個(gè)凸肩），或者增加葉冠來解決的。

帶凸肩的風(fēng)扇葉片

最初投入使用的JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片采用了展弦比為4.6的窄弦設(shè)計(jì)，葉身上有兩個(gè)凸肩，如圖2所示。后續(xù)的JT9D-7R4將展弦比減小為3.8后，葉身上只做一個(gè)較大的凸肩，其他發(fā)動(dòng)機(jī)也均只帶一個(gè)凸肩。

在帶一個(gè)凸肩的風(fēng)扇葉片中，兩側(cè)的凸肩端面分別與相鄰葉片的凸肩端面相抵，形成整環(huán)，如圖3所示。這樣，葉片由無凸肩的一端夾持變?yōu)閮啥藠A持，增加了剛性，提高了自振頻率；另一方面，一旦葉片振動(dòng)起來，相鄰的凸肩端面之間相互干摩擦，吸收振動(dòng)能量，達(dá)到減振的目的。由于凸肩端面在工作中會(huì)與相鄰葉片凸肩相互高速摩擦，為此，須在凸肩端面上噴涂耐磨涂層。風(fēng)扇葉片帶凸肩形成整環(huán)后，也增加了抗外物特別是飛鳥撞擊的能力。

然而，風(fēng)扇葉片采用葉身凸肩也會(huì)帶來一些問題：首先，帶凸肩后，葉片加工變得困難得多；其次，凸肩不僅增加了葉片質(zhì)量，使葉根處承受的應(yīng)力增加很多，而且在凸肩與葉身轉(zhuǎn)接處，凸肩對(duì)葉身還產(chǎn)生一個(gè)附加的彎矩，使該處應(yīng)力狀況變得復(fù)雜；更重要的是，凸肩對(duì)風(fēng)扇的性能影響較大——?dú)饬髁鬟^凸肩時(shí)會(huì)在其后產(chǎn)生紊流區(qū)，不僅縮小了有效的氣流通道面積，而且使壓力損失加大，如圖4所示，這不僅會(huì)使風(fēng)扇效率降低，直接使發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率上升，還會(huì)使風(fēng)扇的喘振裕度變小。因此，自從帶凸肩的長風(fēng)扇葉片出現(xiàn)后，設(shè)計(jì)人員就開始嘗試采取措施來取消凸肩，但由于困難很大，直到20世紀(jì)80年代初期，小展弦比葉片的出現(xiàn)才使得各種努力初見成效。

帶葉冠的風(fēng)扇葉片

葉冠是渦輪工作葉片常用的設(shè)計(jì)，但在F101與CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片上也得到了采用，并且它們的葉冠上還有兩道封嚴(yán)篦齒。采用帶冠的風(fēng)扇葉片，不僅可以解決葉片的振動(dòng)問題，而且可以減少葉尖間隙處的漏氣損失，提高風(fēng)扇效率。但是，葉冠不僅增加了榫根處的載荷，而且在葉冠與葉尖交界處還存在較大的彎曲應(yīng)力。為此，采用帶冠葉片時(shí)，須加大葉柵稠度，以增加葉片數(shù)、縮小葉冠周向尺寸、降低葉冠質(zhì)量。例如，CFM56-3（風(fēng)扇葉片不帶冠）的風(fēng)扇葉片數(shù)為36片，而CFM56-2的風(fēng)扇葉片卻多達(dá)46片。帶冠的風(fēng)扇葉片不被采用的主要原因不僅在于前述的葉片強(qiáng)度問題，還在于抗外物打擊的能力不如采用中間減振凸肩的好，因此風(fēng)扇葉片帶冠的設(shè)計(jì)沒有得到推廣。

當(dāng)前采取的減輕質(zhì)量的措施

如果將風(fēng)扇葉片由大展弦比改成小展弦比，葉片就變得又寬又厚，振動(dòng)與外物撞擊的問題當(dāng)然就會(huì)迎刃而解。但是，又寬又厚的葉片會(huì)大幅增加質(zhì)量，這對(duì)葉片榫根與輪盤的強(qiáng)度提出更高要求。在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的前10～20年中，羅羅公司花費(fèi)了14年時(shí)間率先解決了降低寬弦風(fēng)扇葉片質(zhì)量的問題，而普惠公司與GE公司直至1995年才將沒有風(fēng)扇凸肩的發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用，花費(fèi)了近25年時(shí)間。

帶蜂窩的夾層結(jié)構(gòu)寬弦風(fēng)扇葉片

20世紀(jì)80年代初期，羅羅公司發(fā)展了一種帶蜂窩的夾層結(jié)構(gòu)寬弦風(fēng)扇葉片，如圖5所示。這種葉片由兩片經(jīng)過化學(xué)銑削成型的鈦合金面板，夾上由鈦合金制成的蜂窩芯板，在高溫爐中經(jīng)過擴(kuò)散連接處理將三者連接成一體，然后在模中扭轉(zhuǎn)成最終型面。這種風(fēng)扇葉片既具有較好的抗振和抗外物打擊的能力，質(zhì)量又輕。該葉片首先用于RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)于1984年10月裝在波音757飛機(jī)上投入使用。隨后，V2500等發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片也采用了這種設(shè)計(jì)。

RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)采用的寬弦風(fēng)扇葉片，由于取消了凸肩，風(fēng)扇性能有明顯的改善，在巡航條件下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的絕熱效率提高了2%～4%，風(fēng)扇輪轂處的效率提高了2%～4%，喘振裕度也得到改善。由于風(fēng)扇效率的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率可降低4%以上。

用于波音777的三型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

1990年年初，波音公司提出在5年內(nèi)研制一款新型雙發(fā)、雙道通、能執(zhí)飛任何航線的波音777大型客機(jī)。三大發(fā)動(dòng)機(jī)公司均為波音777提供了發(fā)動(dòng)機(jī)，即普惠公司的PW4084、GE公司的GE90與羅羅公司的遄達(dá)800。這三型發(fā)動(dòng)機(jī)最大特點(diǎn)之一是均采用了寬弦風(fēng)扇葉片。為了減輕風(fēng)扇葉片質(zhì)量，三家公司采取了不同的措施。

如圖6（a）所示，羅羅公司在RB211-535E4風(fēng)扇葉片的基礎(chǔ)上發(fā)展了該公司的第二代空心寬弦風(fēng)扇葉片，其葉型剖面如圖6（b）所示。這種被稱為擴(kuò)散連接/超塑性成形（DB/SPF）的葉片的外形仍然由鈦合金的兩個(gè)面板組成，但兩個(gè)面板間夾的不是蜂窩芯板，而是由薄片形成的桁架與面板連接組成了一種質(zhì)量輕且承力特性好的結(jié)構(gòu)。這種葉片由于中間薄板參與受力，因此，面板可以做得更薄，其質(zhì)量比帶蜂窩芯的葉片輕1/3。

普惠公司的風(fēng)扇葉片是采用鈦合金做成空心的結(jié)構(gòu)。該型葉片先在兩面板的內(nèi)側(cè)銑出一些縱向槽，再用擴(kuò)散連接法將面板連接起來，形成空穴，如圖6（c）所示。這種葉片與羅羅公司的葉片相比，顯然結(jié)構(gòu)要簡單得多，但質(zhì)量也最大。

GE公司的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑是當(dāng)時(shí)最大的，達(dá)到3.142m， 葉片高達(dá)1.22m，葉尖處的弦長0.53m，榫頭寬0.305m。這種大型葉片如果采用鈦合金材料，即使做成空心結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量也將很大，榫頭處的強(qiáng)度也難解決，于是GE公司決定用復(fù)合材料來做葉片。

用于波音777的三種發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，采用了不同減輕葉片質(zhì)量的措施。從結(jié)果上看，羅羅公司的DB/SPF葉片最輕，復(fù)合材料的葉片次之，普惠公司的葉片最重，見表1。

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

早在20世紀(jì)60年代末，羅羅公司在研制RB211-22B時(shí)，風(fēng)扇葉片就采用了復(fù)合材料，它具有質(zhì)量輕、抗振性能好的特點(diǎn)，但最終卻沒能通過抗鳥擊的試驗(yàn)，不得不在后期改用鈦合金來做風(fēng)扇葉片。因此，當(dāng)GE公司宣布GE90的風(fēng)扇葉片將采用復(fù)合材料制作時(shí)，很多人持懷疑態(tài)度。GE公司之所以堅(jiān)持發(fā)展復(fù)合材料的風(fēng)扇葉片，是因?yàn)槠湟褜?duì)復(fù)合材料在風(fēng)扇葉片上的應(yīng)用做了多年的研究，而且在20世紀(jì)80年代研制的無涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（UDF）GE36的風(fēng)扇葉片就已采用了復(fù)合材料。GE公司為GE90風(fēng)扇葉片開發(fā)了該公司的第一代復(fù)合材料，并在隨后的20多年時(shí)間里發(fā)展了四代：第二代用于GE90-115B，第三代用于GEnx，第四代用于GE9X。目前，羅羅公司準(zhǔn)備在遄達(dá)XWB以后的發(fā)動(dòng)機(jī)中，改用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。這些事實(shí)說明，復(fù)合材料用于制作風(fēng)扇葉片已是大勢所趨。

表1 三種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片參數(shù)比較

用復(fù)合材料做成的風(fēng)扇葉片具有以下特點(diǎn)：質(zhì)量輕、成本低、抗振性能特別是抗顫振性能好，具有優(yōu)異的損傷容限能力。一般鈦合金葉片如果在根部出現(xiàn)裂紋，裂紋將很快擴(kuò)展，影響葉片的正常工作。但復(fù)合材料葉片即使出現(xiàn)大的缺口，也不會(huì)擴(kuò)展。復(fù)合材料葉片受到外物撞擊時(shí)在彈性變形下，能將撞擊能量吸收并在葉身上重新分布，使它仍然具有較強(qiáng)的抗外物打傷能力。

但復(fù)合材料存在著被認(rèn)為有礙其發(fā)展的腐蝕問題。對(duì)此，GE公司采取多種措施來提高復(fù)合材料葉片抗腐蝕的性能，并取得了較好的結(jié)果。例如在葉片上涂聚氨酯防腐涂層，以及采用較小的葉尖切線速度等。

在設(shè)計(jì)GE90時(shí)，對(duì)復(fù)合材料做成的風(fēng)扇葉片雖然采用了防鳥撞的措施，但是為了確保在大鳥撞擊下也能正常工作，風(fēng)扇設(shè)計(jì)成小的葉尖切線速度（371m/s），相應(yīng)的壓比也小。據(jù)分析，外物打在葉片上的撞擊能量與葉尖切線速度的二次方成正比。在投鳥取證的試驗(yàn)中，風(fēng)扇葉片承受了3.6 kg大鳥撞擊的考驗(yàn)。

GE9X的風(fēng)扇葉片采用了GE公司的第四代碳纖維復(fù)合材料。該復(fù)合材料采用了剛性更高的碳纖維與新的環(huán)氧樹脂，為了增大葉片的強(qiáng)度，葉片前緣包覆的鈦合金薄片改為合金鋼的薄片，因此葉片可以做得比GE90、GEnx葉片更薄；由于采用了先進(jìn)的三維掠形設(shè)計(jì)，使風(fēng)扇葉片后掠更大、葉弦更寬（如圖7所示）、葉片數(shù)更少（16片，GE90為22片，GEnx為18片），這也使GE9X成為所有大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中風(fēng)扇葉片最少的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于風(fēng)扇葉片數(shù)少，葉身較薄，加上采用了最新的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，使空氣在風(fēng)扇中流通能力加大，在同樣的風(fēng)扇葉尖直徑下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力可增大；氣動(dòng)性能好，提高了風(fēng)扇效率；由于風(fēng)扇葉片采用了第四代復(fù)合材料制作，提高了葉片強(qiáng)度，使風(fēng)扇葉尖可采用比GE90高的切線速度，不僅提高了風(fēng)扇效率，而且提高了低壓渦輪轉(zhuǎn)速，使低壓渦輪效率增大。較薄的復(fù)合材料風(fēng)葉片質(zhì)量較輕，可減輕支承風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可減少發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量。因此，有人用“薄、尖、彎”三個(gè)字形容GE9X風(fēng)扇葉片的特點(diǎn)。

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片是用三維編織樹脂模傳遞成形(3D WRTM)的方法制作的，它的碳纖維不是簡單層疊在一起，而是采用三維技術(shù)編織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其更加堅(jiān)固，隨后注入樹脂并在高壓容器內(nèi)固化。這種葉片不僅質(zhì)量輕、耐久性好，抗外物打傷能力強(qiáng)、抗振動(dòng)性能好，而且能完成復(fù)雜的型面。

葉型設(shè)計(jì)的演變

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片高度大，葉尖處半徑比葉根處半徑大很多，使兩處的切線速度相差較大，葉尖處氣流相對(duì)速度大于聲速，而葉根處則遠(yuǎn)低于聲速。為此，風(fēng)扇葉片葉尖處需按超聲速設(shè)計(jì)，葉根處則按亞聲速設(shè)計(jì)，屬于跨聲速葉片。

早期的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片葉型均用二維氣動(dòng)方法設(shè)計(jì)，葉片形狀簡單。到世紀(jì)之交，設(shè)計(jì)人員已開始使用第一、第二、第三代三維氣動(dòng)方法設(shè)計(jì)，且葉片做成前、后掠形。例如，GE90在改型為GE90-115B時(shí)，風(fēng)扇葉片就用三維氣動(dòng)計(jì)算方法設(shè)計(jì)成S形后掠葉型，如圖8所示，以減少超聲速氣流流入葉片時(shí)壓力的損失，提高效率。

空客A380用的遄達(dá)900發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片，做成像彎刀似的帶前掠和后掠，如圖9所示。這種帶掠形的風(fēng)扇葉片效率高、噪聲低且抗外物擊傷能力較強(qiáng)。羅羅公司的最新發(fā)動(dòng)機(jī)遄達(dá)XWB的風(fēng)扇葉片基本與遄達(dá)900的相近，如圖10所示。

風(fēng)扇葉片與盤連接的演變

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片與輪盤的連接，除早期個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)采用樅樹形榫根（RB211-22B發(fā)動(dòng)機(jī)）與銷釘榫根（CF34-3發(fā)動(dòng)機(jī)）外，均采用軸向燕尾形榫根。

在軸向燕尾形榫根中，榫根上端面必須將葉根型面包容住，由于葉根型面是呈弧形的，要能將葉根型面全部包住，則榫根上端面的平行四邊形就會(huì)過大，這樣，在輪盤裝的葉片數(shù)會(huì)受到限制。如果保持葉片數(shù)不變，則只能選擇將輪緣外徑加大。為了克服這個(gè)問題，羅羅公司在RB211-535E4等發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了圓弧形燕尾榫根，即榫根的上端面的外形基本做成與葉根型面的外形一致的圓弧形，相應(yīng)地輪盤上的燕尾形榫槽也做成圓弧形，如圖11所示。采用這種榫頭可以減小輪盤輪緣直徑，風(fēng)扇的輪轂比可取得較大，在相同的空氣流量下，風(fēng)扇直徑可以稍小些。但是，輪盤的榫槽不能用拉刀拉出來，只能用銑床將它銑出來，增加了加工的困難與工作量。CFM國際公司在CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)中的最后型號(hào)CFM56-7中，風(fēng)扇葉片也采用了圓弧形燕尾榫根。

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片一般級(jí)壓比為1.5～1.7，氣流在工作葉片中壓縮較大，因而葉根的底座處均做成大斜度的氣流通道。早期在葉片的底部做一個(gè)沿氣流通道相符合的底座（或稱平臺(tái)），底座之下通過中間段（或稱中間根或延長根）與榫根相連，如圖12所示。葉片帶底座后對(duì)葉片的加工帶來不便，特別對(duì)寬弦葉片更是如此。為此，有的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片先做成不帶底座的葉片，然后在兩葉片間裝上葉間平臺(tái)以形成氣流通道，中間平臺(tái)即葉片間墊塊的兩側(cè)面需做成與葉片葉身型面相符合的型面。

結(jié)束語

自大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)誕生以來，風(fēng)扇葉片的構(gòu)造、材料和葉型等歷經(jīng)了50年的變遷，每次演變無不為風(fēng)扇乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來顯著的收益，這其中的每一步都凝結(jié)著設(shè)計(jì)者的智慧和不懈努力。盡管目前風(fēng)扇葉片的增壓比和效率等已發(fā)展到空前的高度，但其發(fā)展的腳步并未停歇，在新的設(shè)計(jì)手段及新材料的護(hù)航下，風(fēng)扇葉片無疑會(huì)在未來更加臻于完美。