航空发动机叶片的高科技秘密

我们都知道，发动机作为飞机中推进系统的一个组成部分，是一种高度复杂和精密的热力机械，它的造价要远远的高于飞机中的其他部件。

下面是几种不同型号的航空发动机：

图1：劳斯莱斯梅林V-12引擎

图2：一个ULPower UL260i水平对置气冷式航空发动机

图3：GEnx商用飞机发动机的内部构造

一、航空发动机叶片

首先，我们看几张发动机叶片基本形状和构造。

图4：发动机简图

发动机中叶片主要分为四个部分：

扇叶（fan blades）

压气机叶片（compressor blades）

高压涡轮叶片（high pressure turbine blades）

低压涡轮叶片（lowpressure turbine blades）

图5：GEnx-2B的风扇叶片和进口导流叶

图6：喷气式飞机发动机的涡轮叶片

图7：风扇叶片

你知道叶片在发动机中起多大作用吗？

发动机中完成对气体的压缩和膨胀，并且以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作的就是这众多的叶片。

叶片是一种特殊的零件，它数量多，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，以满足需要。

二、叶片的形状设计

说了这么多，你可能会有疑问了，既然叶片数量多，为什么不把它设计成直的规则图形，而是一个凹的曲线状呢？这样一来既减少了很多加工工艺，又降低了设计难度，可以减少很多成本。

为了解释这个问题，先给大家介绍一些基本的概念知识。

首先，什么是流道？下图是两个典型的流道图。

图8：压气机流道图

图9：涡轮流道图

其次，圆周速度的计算公式是什么？在流道中，由于在不同的半径上，圆周速度是不同的，（这个可以根据下图中的计算公式得到）

图10：圆周速度

最后，什么是气流的攻角？气流的攻角是气流相对于叶片速度方向与叶片弦线夹角。

图11：以飞机机翼为例，展示气流的攻角

接下来解释叶片为什么一定要扭呢？

由于在流道中，不同半径上的圆周速度是不同的，那么就导致在不同的半径基元级中，气流的攻角相差极大；

在叶尖，由于半径大，圆周速度大，就造成很大的正攻角，结果使得叶型叶背产生严重的气流分离；在叶根，由于半径小，圆周速度小，造成很大的负攻角，结果使得叶型的叶盆产生严重的气流分离。

图12：叶片背面和端面

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，其效率是极其低劣的，甚至会达到根本无法运转的地步。

这也就是为什么叶片一定要扭的原因。

三、叶片设计的几何参数

叶片的几何尺寸如下表：

图13：压气机叶片叶栅几何参数示意图

表1 叶片的几何参数

四、叶片技术的改良

由于叶片的好坏优劣直接决定飞机发动机的性能和质量，现如今，在叶片的设计和制造领域仍面临很多挑战。下图是未来技术的一个设想：

图14：叶片技术改良

它将采用更先进的空气动力学和通道塑造，更先进的制造工艺，尽可能少的套管涡轮机设计，以及更先进的材料，等等。

另外，还有GE公司提出的GE9X发动机，风机叶片采用碳纤维复合材料，是一种全新的、更有效的设计，它减少了叶片的数量（从22到18），并减轻了重量。

图15：碳纤维复合材料风机叶片—GE9X发动机

叶片的设计技术日益更新和完善，那么就让我们对未来的叶片，未来的发动机拭目以待吧！

图16：GENX-2B飞机引擎

测量

叶片作为发动机的相关重要部件之一，其在航空发动机制造中所占比重约为30%。

由于叶片形状复杂、尺寸跨度大（长度从20mm~800mm）、受力恶劣、承载最大，且在高温、高压和高转速的工况下运转，使得发动机的性能在很大程度上取决于叶片型面的设计制造水平。

为满足发动机高性能、可靠性及寿命的要求，叶片通常选用合金化程度很高的钛合金、高温合金等材料制成；同时由于叶片空气动力学特性的要求，叶型必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。

随着航空发动机性能要求越来越高，各大主机生产厂对叶片加工精度要求也越来越高。目前，航空发动机的叶片制造方法主要有电解加工、铣削加工、精密锻造、精密铸造等。其中，数控铣削加工由于加工精度高、切削稳定、工艺成熟度高等优点而被广泛应用。

然而由于叶片零件壁薄、叶身扭曲大、型面复杂，容易产生变形，严重影响了叶片的加工精度和表面质量。如何严格控制叶片的加工误差，保证良好的型面精度，成为检测工作关注的重点。

叶片型面是基于叶型按照一定积累叠加规律形成的空间曲面，由于叶片形状复杂特殊、尺寸众多、公差要求严格，所以叶片型线的参数没有固定的规律，叶片型面的复杂性和多样性使叶片的测量变得较为困难。

传统的检测方法无法科学地指导叶片的生产加工，随着汽轮机、燃气机等制造业的发展，要求发动机不断更新换代，提高发动机的安全性和可靠性；先进技术的体现在于叶片的改进与创新，从而必须提高叶片制造技术水平，同时要求叶片加工测量实现数字化，体现其精准度，精确给出叶片各点实际数值与叶片理论设计的误差。

且随着我国航空发动机制造企业的迅猛发展，发动机叶片数量大、种类多，检测技术面临着前所未有的机遇和挑战。

目前，在国内的叶片检测过程中，传统的标准样板测量手段仍占主导地位，效率低下、发展缓慢，严重制约着设计、制造和检测的一体化进程。

为适应快速高效检测要求，目前西方发达国家已普遍采用三坐标测量机对叶片进行检测。

由于航空发动机叶片的数量大、检测项目多，三坐标检测技术的引入很大程度地改善了叶片制造过程中检测周期长、检测结果不准确以及由于和外方检测方式不一致所导致的检测结果差异过大的问题。

三坐标检测所特有的适用性强、适用面广、检测快速、结果准确的这一优点，使得三坐标测量机在叶片生产企业得到广泛应用。

近年来，随着我国航空工业的发展，三坐标测量机在叶片生产主机厂家逐渐得到普及。

但由于叶片型面复杂、精度要求高，不同厂家的测量方式、测量流程和数据处理方式不同，导致叶片的测量结果不一致，测量工作反复，严重制约着叶型检测效率的提高。
叶型检测难点具体表现为：
（1）测量精度和效率要求高。叶片型面的测量精度直接反映制造精度，通常要求测量精度达到10μm，甚至1μm。

因此对测量环境要求严格苛刻，通常需要专门的测量室。叶片是批量生产零件，数量成千上万，应尽可能提高测量速度和效率。生产车间和测量室之间的反复运输和等待，使得检测效率低下。
（2）测量可靠性要求高。叶片测量和数据处理结果应反映叶片的实际加工状态，这样才能保证叶片的制造质量。
（3）数据处理过程复杂。叶片图纸上不但有叶型、弦长、前缘后缘半径等尺寸误差要求，还有叶片的形状轮廓、弯曲、扭转、偏移等形位误差要求。

利用三坐标测量机获取的测量数据存在噪点，通常需要对原始的测量点集进一步简化，提取不同的尺寸和特征参数；还需进行复杂的配准运算，迭代求解叶片的形位误差。

其中算法选用不同得到的误差评定结果各有差异，导致整个处理过程复杂。

叶片测量新技术
（1）基于数字样板叶型检测方法。
标准样板是根据叶片的理论型线设计制造的与叶型截面对应的母模量具，使用叶片固定座（即型面测具）把叶片固定后，用处于理想位置的叶盆标准样板和叶背标准样板检查叶盆、叶背型面间隙，并反复调整叶片空间位置，以型线的吻合度作为衡量其是否合格的依据。

叶型设计图多以透光度，或相对误差来表示，如±0.15mm。这个比对误差实际上并不是单纯的形状误差，而是形状误差、尺寸误差、位置误差三者的综合体。
针对标准样板法的特点和存在的缺点，西北工业大学研究了基于数字样板的检测方法。

数字样板检测方法是基于标准样板法的原理，利用数字化测量手段获取测量数据，然后利用虚拟的数字样板，与实测的数据进行匹配，在公差约束条件下达到最佳匹配。最后在该最佳姿态下，求解叶型各项形位误差。

下文将数字样板检测方法归纳为三个主要过程：实物样板数字化、匹配过程模型化、误差评定过程自动化。实物样板数字化是将传统的实物样板转换为CAD模型，以数字模型的方式进行样板比对和误差评定。

由叶片设计模型构造的三维CAD模型，它包括了加工叶片完整的截面几何信息、基准信息，是数字样板法误差评定的模型基础，可以进行表面轮廓度分析、叶型特征参数和形位误差的分析和评定。

对于数字样板法的原始测量点集，主要通过CMM测量获得。在数字样板构造的基础上，通过匹配过程的模型化对测量数据和数字样板自动进行调整。

针对数字样板法中的原始测量数据，通常需要进行数据预处理，获取真实有效的型面测量数据参与数字样板检测。

其中，数据预处理包括测量点去噪、测头半径补偿、坐标变换、测量点与曲面的配准、测量点排序等。其中，数据处理的第一步，就是对得到的型面测量点进行去噪，筛选有效的测量数据。

其次， CMM测量得到的数据是测头球心数据，必须进行测头半径补偿。对于叶片测量时的装夹引起的系统误差，在样板匹配前必须进行坐标系对齐来消除。
（2）叶片高速连续扫描技术。
为提高整体叶盘叶片的检测效率，雷尼绍公司近年来开发了SPRINT高速扫描系统。

与传统的机内测量技术相比，SPRINT叶片测量系统可以显著缩短测量循环时间，对叶片前边缘也能提供精确出色的测量结果，可以为叶片自适应加工、工序间检测等提供很好的检测数据。

叶片测量分析软件可通过数控机床控制器上的Productivity+™ CNC plug-in直接运行，因此测量数据可通过宏变量自动提供给数控机床，也可以自动提供给连接的计算机进行下游数据处理。

SPRINT系统配备的OSP60 SPRINT测头每秒可以采集1000个3D数据点，从而可以满足叶片在机快速检测的要求。
利用SPRINT系统进行测量时，在CNC机床上分别从四个方向对叶片进行测量，从而避免在测量过程中发生测头与工件之间的碰撞干涉。

在测量之后，四部分的测量数据将被拼合成一个完整的叶片测量数据集。SPRINT系统可以用于加工过程中工序间的检测，以确保产品的加工过程正确。同时，还可以作为加工完之后的质量检测使用。

加工过程中以及加工后的型面误差检测是确保叶片加工质量符合公差要求的必要手段。随着测量技术的不断发展，逐渐发展处快速、简易、高效的叶片测量与数据处理技术。

同时，随着智能加工技术的发展，在机快速检测技术将推动叶片加工质量与成品率的提升。在这一发展过程中，需要重视和建立叶片在机测量和加工质量的评估标准，从而为这类技术的推广使用奠定基础。

质量控制

航空发动机叶片是发动机的核心部件之一，发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。

发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的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，它的曲面形状和制造精度直接决定了飞机发动机的推进效率的大小。 

图17：JAT生产的航空发动机

什么是发动机叶片

图18：各类型叶片

航空发动机叶片是发动机的核心部件之一，发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平（各类型叶片如图2所示）。

叶片是一类典型的自由曲面零件，发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的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，它的曲面形状和制造精度直接决定了飞机发动机的推进效率的大小，

图19：喷气发动机的涡轮叶片 

叶片质量为何如此重要 

在航空发动机中，叶片型面的复杂程度非常高，尺寸跨度大，而且承载也比较大，如图4、5所示。

叶片的工作性能受到其几何形状和尺寸的直接影响，当叶片型面的质量比较差时，发动机会承受二次流损耗，进而影响能量转换效率。

基于此，在进行叶片型面制造时，要对质量十分的注重，通过检测技术的有效应用，提升提高叶片型面制造的质量，并保证航空发动机的性能。

图20：复杂发动机叶片

图21：GE9X发动机的薄叶片

怎样控制叶片质量

叶片质量控制的主要手段为检测，当前，比较常用的发动机压气机叶片型面检测技术比较多，下面主要为大家介绍几种叶片型面检测技术，以便于提升检测工作的有效性，保证叶片制造的质量，提升航空发动机的性能。

图22：工程师检查发动机叶片

图23：工程师检查发动机叶片

图24：测量发动机叶片 

几种叶片检测技术

电感测量技术

对于机械位移量，通过电感方法对其进行转换，变成电量之后进行放大、处理，最后，将机械位移量显示出来，这种测量方法就是电感测量。

在利用电感测量方法检测时，不能单独进行使用，需要配备相应的测量机械装置，以便于对被测零件进行定位，并将传感器固定。

优点：简便性比较高，能够实现直观的测量，而且测量的精度和效率都比较高。在进行航空发动机压气机叶片型面检测时，经常使用此种方法。 

图25：涡轮叶片探伤

局限：从理论上来说，检测时叶片各个部位的形状可以通过加密测点的方法来进行，不过，在使用加密测点方法后，检测的复杂程度提升，尤其是叶片型面型线的测量，由于测量点比较多，测量无法有效的保证。

光学投影检测技术

利用光学投影检测技术对叶片型面进行检测时，需要借助相应的光学投影设备，通常来说，断面投影仪以及光学跟踪投影仪是比较常用的两个设备。

图26：光学投影检测

优点：通过光学投影设备的屏幕，检测人员可以直接的观看叶型；经过放大之后，将其与理想叶型对比，进而准确的发现实际叶型与理想叶型之间存在的差异，从而有针对性的对实际叶型进行改进，保证叶片制造的质量。

图27：光学投影检测环路

局限：在进行检查时，叶片表面反射能力会在很大程度上影响检测结果，导致检测结果的准确性降低；另外，屏幕也具备一定的限制性，只有弦宽不大的叶子才能利用此种检测技术进行检测。

三坐标测量技术

在三坐标测量技术中，参考系为空间直角坐标系，机械零件在利用此种技术检测时，轮廓上各被测点的坐标值可以准确的测量出来，同时，还可以处理数据群，将零件各个几个元素形位尺寸计算出来。

图28：三坐标测量技术测量叶片坐标 

优点：测量对象数字化；利用误差补偿技术，测量精度显著提升；利用算法灵活的软件，提升检测的有效性；自动化测量，减少人力使用，节约检测成本，提升检测质量，从设计到制造到检测，实现一体化。 

图29：三坐标测量技术曲线偏差评估 

局限：测量机所需花费的成本比较高，对工作环境的要求比较高，功能冗余的专业性比较差，测量软件需要进行二次开发，测量效率比较差，而且测量时间比较长。

标准样板法

将标准样板和实际叶片对应检测截面靠近，在照明灯光的辅助下，根据二者之间漏光间隙的大小，来对实际叶片与标准样板之间的误差进行估计。

图30：获得标准样板

图31：标准样板

优点：检测时速度比较快，而且操作比较简单，比较适合在现场使用。在进行叶片加工时，标准样板法得到了比较广泛的应用。

图32：标准样板用于模型比对

局限：零件合格与否的检测为定性检测，测量精度比较差；样板与叶型型线之间具备对应关系，一个样板只能检测与其对应的叶片截面的一条型线，因此需要很多数量的标准样板才能完成检测，花费的检测成本比较高。

因此，在当前的叶片型面检测中，只有工序间型面检测才会应用标准样板法。

激光测量技术 

图33：激光振动计检测发动机叶片 

比较典型的激光测量技术主要有两种，一种是四坐标激光测量，一种是激光扫描测量。

四坐标激光测量的基础为三坐标测量，增加精密转台，通过非接触式激光侧头完成测量；激光扫描测量为高速扫描叶片，借助激光光束，在进行扫描时，获取叶片型面大量点云数据，形成点云图，以标准叶片的CAD模型为参考依据，进行对比分析，找出存在的误差。

图34：接触式激光三角测量

图35：激光测量叶片倾角 

优点：检测速度比较快，采样频率比较高，具备比较高的检测效果。

局限：测量精度稍差。在实际的航空发动机压气机叶面型面检测中，应用还比较少。

（航空微读；航空制造网）

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