近半世纪中大涵道比涡扇发动机风扇叶片变迁 复合材料风扇介绍

复合材料风扇叶片

早在上世纪60年代末，罗罗公司在研制RB211-22B时，风扇叶片就釆用了复合材料制作，它具有质量轻，抗振动性能好，但最终却沒能通过抗鸟击的考验，不得不在后期攺为采用钛合金来做风扇叶片，加上它是第1种采用三转子结构的发动机，研制中遇到多个技术难题，又遇到英磅贬值的打击等，不仅研制周期长，是三种第1代大涵道比涡扇发动机中最后投入使用的发动机，而且造成罗罗公司宣布破产的境地，最后是英国政府接管（相当中国的公私合营）才使得世界上著名的这家公司继续从事航空发动机的研发工作。

图、三种型号发动机风扇叶片参数比较

因此，当GE公司宣布GE90的风扇叶片将采用复合材料制作时，很多人持怀疑态度，但GE公司坚持发展复合材料的风扇叶片，因为它们公司己对复合材料在风扇叶片上的应用，做了多年的研究，而且在上世纪80年代它们研制的无涵道风扇发动机（UDF）GE36的风扇叶片己采用了复合材料。

GE公司为GE90风扇叶片开发了该公司第1代复合材料，在随后的20多年时间里，发展了四代：第2代用于GE90-115B，第3代用于GEnx，第4代用于GE9X。目前，罗罗公司准备在遄达XWB以后的发动机中，不再釆用该公司特有的SPF/DB空心钛合金叶片，而攺用复合材料来做风扇叶片。这些事实，说明复合材料用于制作风扇叶片己是大势所趋。

用复合材料做成的风扇叶片具有以下特点：重量轻、成本低、抗振性能特别是抗颤振性能特好，具有特别好的损伤容限能力。一般钛合金叶片如在根部出现裂纹，在工作中裂纹将很快地扩展，影响叶片的正常工作。

但复合材料做的叶片，即使出现大的缺口，也不会扩展。复合材料叶片受到外物撞击时在弹性变形下，能将撞击能量吸收并在叶身上重新分布，使它仍然具有能承受较大的外物击伤能力。

图10、GE90复合材料的风扇对叶片

复合材料有一个被认为有碍它发展的问题是腐蚀问题;对此GE公司做了认真分析,并采取措施来提高复合材料叶片抗腐蚀的性能,取得了较好的结果。例如在叶片上涂聚氨酯防腐涂层,采用较小的叶尖切线速度。

因为腐蚀率与叶尖切线速度的三次方成正比,与其他高切线速度的风扇叶片相比,腐蚀率约低50%,因而不仅能防止多种物质(水、燃油、滑油、防冰剂、丁酮和液压油等)的腐蚀,且叶身被这些物质造成的磨损也较小。涂层工作寿命大于10000h(不可再涂)。

涂聚氨酯的具体做法是:在叶片表面上先涂0.10mm 厚的AF32腈类酚醛底层,然后涂上0.05mm 厚的环氧树脂类的黏合剂,最后再涂上0.4572mm 厚的聚氨酯。这种涂层的性能在缩型的复合材料风扇叶片装于CFM56-3上进行的吞水试验中得到验证。试验是在起飞状态下进行的,吞水量为空气流量的4%,试验70min,试验后叶片无腐蚀迹象。

GE90风扇叶片的叶身与叶根用IM7中长碳纤维与增强的8551—7环氧树脂组成的称为“大力神”8551－7／IM7复合材料制成一体。在叶身的压力面上，涂有聚氨酯防腐蚀涂层，叶背上涂有一般的聚氨酯涂层。为提高叶片抗大鸟撞击的能力，将钛合金薄片用3MRAF191胶粘在叶片前缘上。为避免工作中复合材料脱层，在叶尖与后缘处用Kevlar细线进行了缝合（图10）。

在设计GE90时，对复合材料做成的风扇叶片虽然采用了防鸟撞的措施，但是为了确保在大鸟撞击下也能正常工作，风扇设计成小的叶尖切线速度（371m/s），相应的压比也小。据分析，外物打在叶片上的撞击能量与叶尖切线速度的二次方成正比。

在投鸟取证的试验中，风扇叶片承受了3.6 kg大鸟撞击的考验，在后来的长期服役中，也证实它的耐用为抗大鸟撞击的能力（在头10年运行中仅换过3次）。

GE9X的风扇叶片采用了GE的第4代碳纤维复合材料，它采用了刚性更高的碳纤维与新的环氧树脂，为了增大叶片的强度，叶片前缘包复的钛合金薄片攺为合金钢的薄片，因此叶片可以做得比GE90、GEnx叶片更薄；

由于采用了先进的3维掠形设计，使风扇叶片后掠更大、叶弦更宽（图11），叶片数更少，为16片（GE90为22片，GEnx为18片），这也使GE9X成为所有大涵道比涡扇发动机中风扇叶片最少的发动机。

由于风扇叶片数少，叶身较薄，加上采用了最新的气动设计，使空气在风扇中流通能力加大，在同样的风扇叶尖直径下，发动机推力可增大；气动性能好，提高了风扇效率；由于风扇叶片采用了第四代复合材料制作，提高了叶片强度，使风扇叶尖可采用比GE90的切线速度高，不仅提高了风扇效率，而且提高了低压涡轮转速，使低压涡轮效率增大。

较薄的复合材料风叶片质量较轻，可减轻支承风扇转子的结构质量，可减少发动机总质量等。因此有人用薄、尖、弯三个字形容GE9X风扇叶片的特点。

图11 GE9X的复合材料风扇叶片

LEAP的风扇叶片是用三维编织树脂模传递成型(3-D WRTM)的方法制作的，它的碳纤维不是简单层叠在一起,而是采用三维技术编织形成 状结构,使其更加坚固,随后注入树脂并在高压容器内固化。不仅质量轻、耐久性好，抗外物打伤能力强，抗振动性能好，而且能成型复杂型面的叶片。

叶型设计

图12、 JT9D-7R4风扇叶片

大涵道比涡扇发动机风扇叶片高度大，叶尖处半径比叶根处半径大很多，使两处的切线速度相差较大，叶尖处气流相对速度大于声速，而叶根处则远低于声速。即风扇叶片上，叶尖处按超声速设计，叶根处按亚声速设计，属于跨声速叶片。

早期的大涵道比涡扇发动机风扇叶片叶型均用二维流气动方法设计，叶片形状简单，如图12所示。到世纪之交时，己用1代、2代与3代三维流气动方法设计，且叶片做成前、后掠形。例如，GE90在改型为GE90-115B时,风扇叶片就用三维气动计算方法设计成S形后掠叶型，如图12所示，以减少超声速气流流入叶片时的损失，提高效率。

图、 GE90-115B风扇叶片

A380用的遄达900发动机的风扇叶片，做成像弯刀似的带前后掠,如图13所示。这种带掠形的风扇叶片效率高、噪声低且抗外物击伤能力较强。罗罗公司的最新发动机遄达XWB的风扇叶片基本与遄达900的相近，如图14所示。

图13 遄达900的风扇叶片

风扇叶片与盘的连接

大涵道比涡扇发动机风扇叶片与轮盘的连接，除早期个别发动机采用枞树形桦根（RB211-22B）与销钉榫根（CF34-3）外，均采用轴向燕尾型榫根。

在轴向燕尾型榫根中，榫根上端面必须将叶根型面包容住，由于叶根型面是呈弧形的，要能将叶根型面全部包住, 榫根上端面的平行四边形就比较大，这样，在轮盘装的叶片数会受到限制。如果叶片数不能变，只能将轮缘外径加大。

图14 遄达XWB的风扇叶片

为了克服这个问题，罗.罗公司在RB211-535E4等发动机上，采用了圆弧形燕尾榫根，即榫根的上端面的外形基本做成与叶根型面的外形一致而呈圆弧形，相应地轮盘上的燕尾型榫槽也做成圆弧形，如图15所示。采用这种榫头后，轮盘轮缘直径可以小，风扇的轮毂比可取得较大，在相同的空气流量下，风扇直径可以稍小些。

图15 圆弧形榫根

但是，轮盘的榫槽不能用拉刀拉出来，只能用铣床将它铣出来，增加了加工的困难与工作量。CFMI公司在CFM56系列发动机中的最后型号CFM56-7中，风扇叶片也釆用了圆弧形燕尾榫根。

图16、 带?座的风扇叶片

大涵道比涡扇发动机的风扇叶片一般级压比为1.5～1.7，气流在工作叶片中压缩较大，因而在叶根处气流通道均作成大斜度的底座。早期在叶片的底部作一沿气流通道相符合的底座（或称平台），底座之下通过中间段（或称中间根或延长根）与榫根相连，如图16所示。

叶片带底座后对叶片的加，工带来不便，特别对宽弦叶片更是如此。为此，有的发动机叶片先做成不带底座的叶片，如图14所示，然后，在两叶片间装上叶间平台以形成气流通道（图17），由图可以看出，中间平台即叶片间垫块的两侧面需做成与叶片叶身型面相符合的型面。

图17 两叶片根部间夾的垫块

风扇盘

图18、早期的风扇盘

风扇盘均由钛合金锻造经机械加工而成，做成空心的，轮缘处由于要安装风扇叶片，宽度最大，中心处作得较薄，轮盘剖面形状因发动机而异，早期的轮盘较多的做成如图18所示的结构。

随着发动机推力的增加，风扇直径加大，宽弦叶片的应用等，使风扇叶片长而宽，采用常规的轮盘就会因轮缘很宽而很重。

图19 、多盘的盘鼓混合式轮盘

因此，许多发动机的风扇盘做成多盘的盘鼓混合式轮盘，即由2-4个带鼓的薄盘焊接而成，如图19所示。