陳志英，鄭家祥，劉 勇，谷 裕

（北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191）

0 引言

風(fēng)扇葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供了75%～80%的推力，每秒噴出約1.2 t空氣，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)每一片風(fēng)扇葉片的價(jià)值與一輛普通的家用轎車相當(dāng)，風(fēng)扇葉片出現(xiàn)故障后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與耐久性也會(huì)產(chǎn)生極大影響[1-2]。CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)是由美國通用電氣公司（GE）和法國國營航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究制造公司（SNECMA）共同組成的CFM國際公司（CFMI），在F101核心機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)20世紀(jì)80年代后期國際軍、民用飛機(jī)市場的需要而研制的100 kN級(jí)高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，從它的第1個(gè)型號(hào)CFM56-2于1979年11月取得適航證后，到2005年已發(fā)展了 CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7 等 4 個(gè)系列，共有28個(gè)型號(hào)，其推力覆蓋了71～151 kN，已成為22個(gè)飛機(jī)型號(hào)的動(dòng)力。作為一個(gè)國際項(xiàng)目，CFM56的巨大成功是史無前例的[3]。國產(chǎn)大飛機(jī)C919已經(jīng)在上海下線，CFMI公司的最新產(chǎn)品LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的第一個(gè)用戶就是C919飛機(jī)，如何從CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的發(fā)展中學(xué)習(xí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并用以指導(dǎo)發(fā)展我們自己的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，本文具有一定的參考意義。

1 CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)是為了當(dāng)時(shí)的DC-8飛機(jī)要換裝經(jīng)濟(jì)性好、噪聲低的高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)而研制的。DC-8飛機(jī)原來裝用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)JT3D.JT3D發(fā)動(dòng)機(jī)系列中最后1個(gè)型號(hào)JT3D-7A的推力為84.5 kN，為此，CFM56-2的推力級(jí)定為89 kN.

用于DC-8換裝發(fā)動(dòng)機(jī)的CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)命名為CFM56-2C，是CFM56家族中第1個(gè)型號(hào)，研制工作始于1971年11月，早于CFMI公司成立兩年多，由于核心部分采用了F101的核心部分，研制工作進(jìn)展較為順利。第1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)于1974年6月底上臺(tái)架試車，1979年11月以106.8 kN推力獲得適航證，并被美國三角航空公司、聯(lián)合航空公司、飛虎航空公司選為換裝DC-8的發(fā)動(dòng)機(jī)。裝在波音707改裝的飛行試車臺(tái)上的試飛工作完成于1980年。DC-8-70系列飛機(jī)與1982年4月投入航線使用。由于DC-8系列飛機(jī)換裝CFM56后取得較為明顯的效益，因此美國空軍決定將它所用的、由波音公司生產(chǎn)的空中加油機(jī) KC-135、C-135FR、KE-3 和預(yù)警機(jī) E-3 換裝CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)[4]；美國海軍也將它的E-6預(yù)警機(jī)換裝CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)。

CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片采用大展弦比設(shè)計(jì)，如圖1所示，葉片窄而薄，風(fēng)扇葉尖直徑為1.734 8 m.它在結(jié)構(gòu)上的一個(gè)突出特點(diǎn)是葉片帶冠，這是目前所見到的唯一一種在風(fēng)扇葉片上帶冠的結(jié)構(gòu)。風(fēng)扇葉片，特別是高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片有兩個(gè)突出問題要解決，即防外來物的擊傷與抗振。CFM56-2利用葉片帶冠來解決上面提到的兩個(gè)問題，在冠上還有三道封嚴(yán)篦齒，用以封嚴(yán)，提高效率，這是比不帶冠葉片的優(yōu)越之處。但是，帶冠后必然會(huì)給風(fēng)扇葉片特別是葉根處的強(qiáng)度帶來問題，因?yàn)閹Ч谙喈?dāng)于在風(fēng)扇葉片葉尖處加了一塊重量，必然會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇葉片在工作時(shí)的離心載荷增大。為了盡量降低葉冠帶來的影響，CFMI公司的方法是加多葉片數(shù)目，增加稠度，使葉冠面積減小，從而降低單個(gè)葉片上葉冠的重量。事實(shí)上，CFM56-2型發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片數(shù)時(shí)CFM56各系列中最多的，為44片。另外，風(fēng)扇葉片帶冠也給加工帶來了難度。

圖1 CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇

風(fēng)扇的增壓比較高，約為1.7（葉尖處），空氣在葉片通道中壓縮得較多，因而葉片的前緣高度比后緣的大很多，除葉冠做成斜的外，葉根處的通道也做成斜度很大的坡面，稱為葉片底座。在CFM56-2中，底座與葉片做成一體，與燕尾榫頭間有一過渡段，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)不但加工比較困難，而且榫根承受的離心負(fù)荷也較大。

圖2 CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇根部結(jié)構(gòu)

由于葉冠做成平行四邊形，各個(gè)葉片的葉冠相互抵住，單獨(dú)拆換1片葉片是不可能的。但是，風(fēng)扇葉片往往會(huì)遭到外來物打傷，需在外場飛機(jī)上更換葉片，為此，輪盤上固定葉片的榫槽做得很深，葉片榫頭下端于榫槽槽底間留有一間隙，在此間隙中插入特別的墊塊，當(dāng)需要拆換葉片時(shí)，先將墊塊取出，再將葉片向下壓，使葉冠與相鄰葉片的葉冠脫開，這樣就能方便地將當(dāng)個(gè)葉片取出。

2 CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

DC-8客機(jī)換裝CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)后，使飛機(jī)性能得到大幅度提高，因而激發(fā)了波音公司將它的中程旅客機(jī)波音737換裝高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的興趣。1981年，波音公司與CFMI公司商定，為波音737換裝新一代的高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行合作。當(dāng)時(shí)的波音737為-200系列，裝用普惠公司的JT8D發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力為71 kN級(jí)，比DC-8用的JT8D發(fā)動(dòng)機(jī)推力小（JT8D的推力為84.5 kN級(jí)），因此，不能直接采用CFM56-2來換裝到波音737飛機(jī)上[5-7]。為此，CFMI公司在-2型的基礎(chǔ)上，維持核心機(jī)不變，將風(fēng)扇直徑由1.738 4 m縮小到1.524 m，發(fā)展成推力小于-2型的-3型發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力為89 kN級(jí)，相應(yīng)的推力比也由6.0減小到5.0.換裝CFM56-3型發(fā)動(dòng)機(jī)的波音737稱為波音737-300.

CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片是由CF6-80發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片按比例縮小而成的。CFMI公司的設(shè)計(jì)人員在對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，帶冠葉片的抗外物擊傷能力不如在葉高距葉尖1/3處帶中間凸肩的強(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)-3的風(fēng)扇葉片時(shí)，材料采用Ti/TA6V鈦合金，結(jié)構(gòu)上用帶中間凸肩的實(shí)心葉片取代-2型的帶冠風(fēng)扇葉片，如圖3所示。CFM56-3的風(fēng)扇葉片共38片，葉身高0.368 m，根部為燕尾形榫頭。雖然凸肩具有減振的作用，但是在實(shí)際的使用過程中葉片的振動(dòng)量仍然由于太大而不能很好地滿足要求，因此，1989年12月起在根部加裝減振塊，利用減振塊與葉片中間根間的相互干摩擦減振來進(jìn)一步降低振動(dòng)應(yīng)力，如圖4所示。

圖3 CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

俄羅斯的研究人員對(duì)這種加裝減震塊后的風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，葉片的振動(dòng)應(yīng)力減小了60%左右，能夠很好地滿足減振要求。如圖4所示，為CFM56-3風(fēng)扇葉片減震塊的固定方法，保持塊的作用是防止風(fēng)扇葉片從輪盤的后部逸出，保持塊由螺栓固定到輪盤上。

圖4 CFM56-3風(fēng)扇葉片減震塊與其固定方法

3 CFM56-5發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

CFM56-5系列是為歐洲空中客車公司的A320、A319、A321和A340客機(jī)發(fā)展的，目前，在-5系列中已經(jīng)發(fā)展了-5A、-5C、-5B（按定型時(shí)間順序排列）三種型別[8-11]。

CFM56-5A的風(fēng)扇葉尖直徑與-2型的相同，同為1.734 m，比-3型的1.524 m大0.21 m，-5B的風(fēng)扇直徑同于-5A，-5C的風(fēng)扇直徑加大為1.836 m.葉片采用了先進(jìn)的三元流設(shè)計(jì)，加大了抗外物打擊的能力，但仍為大展弦比設(shè)計(jì)，共36片，材料采用了-3型的Ti/TA6V鈦合金，葉身上仍然做有中間凸臺(tái)，如圖5所示，葉根與輪盤連接處仍然裝有減振塊。由于采用先進(jìn)的三元流氣動(dòng)設(shè)計(jì)，使風(fēng)扇的效率比-2、-3型均高。

圖5 CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

與CFM56-3相比，CFM56-5發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片雖然是全新設(shè)計(jì)的，但是結(jié)構(gòu)上沒有太大變化，仍然帶有減震凸肩，并且葉根處仍然需要加裝減震塊。唯一的改進(jìn)是采用了先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)——三元流氣動(dòng)設(shè)計(jì)。這是因?yàn)闇p振凸肩雖然能夠提高葉片的抗振能力，但是也會(huì)帶來諸多缺點(diǎn)，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重量，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)葉身還作用一個(gè)附加的彎矩，使該處應(yīng)力狀況變得復(fù)雜。更重要的是，氣流流過凸肩時(shí)，在其后會(huì)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，這會(huì)使風(fēng)扇效率降低，直接使發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率上升；另外，風(fēng)扇的喘振裕度也會(huì)變小。所以CFM56-5的風(fēng)扇葉片在設(shè)計(jì)中，除了考慮強(qiáng)度、振動(dòng)外，重點(diǎn)優(yōu)化了氣動(dòng)性能。

4 CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)是CFMI公司為響應(yīng)波音公司更新一代波音737的研制計(jì)劃，在CFM56-5的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，某些部件還采用了CFM56-5的結(jié)構(gòu)[12]。CFM56-7是CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)中唯一采用寬弦風(fēng)扇葉片的，共24片，如圖6所示。葉片采用了寬弦無中間凸肩的設(shè)計(jì)，這是新一代發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用的設(shè)計(jì)形式[13-17]，它不僅性能好、效率高，而且從加工、強(qiáng)度方面看均有較大改進(jìn)。但是由于葉片弦長加大，葉片厚度相應(yīng)加大，增加了單個(gè)葉片的重量，葉片工作時(shí)作用于輪盤上的離心負(fù)荷也會(huì)加大，因此，在大多數(shù)采用寬弦葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)例如V2500、遄達(dá)、PW4084、F119和GE90等中，會(huì)采取減小葉片重量的措施來減小風(fēng)扇輪盤上的離心載荷，常見的減重措施有空心葉片、帶芯的空心葉片及復(fù)合材料葉片等[18]。-7型設(shè)計(jì)時(shí)做了對(duì)比分析，結(jié)論是像CFM56-7這樣的中等推力發(fā)動(dòng)機(jī)，由于風(fēng)扇直徑不是很大（不到1.6 m），如果適當(dāng)增加輪盤的強(qiáng)度是能夠承受實(shí)心寬弦葉片的離心載荷的，不僅如此，采用這種方法還能夠降低整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本，因此，-7型的風(fēng)扇葉片采用了實(shí)心寬弦無中間凸肩的設(shè)計(jì)。

圖6 CFM56-7使用的無中間凸肩的寬弦葉片

由圖7可以看到，CFM56-7風(fēng)扇的榫根及輪盤上的榫槽不是做成直線的而成弧線。通常直線型榫槽是出于制造方便的考慮，可以直接用拉刀拉出榫槽。但是直線型榫根也有缺點(diǎn)，因?yàn)槿~片截面的輪廓線是弧形的，葉根平臺(tái)為了將葉根全部包容只能做成較大的平行四邊形，這就導(dǎo)致輪盤直徑只能做的較大才能容納下所有葉片。而如果將葉根做成與葉片截面輪廓線一致的弧形，葉根平臺(tái)不需要太大就能包容下全部葉根，這樣一來可以降低平臺(tái)的最大寬度，在裝同樣數(shù)目葉片的前提下，可以減小輪盤的輪轂比，在同等的空氣流量下能夠減小發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積，這一改變顯然能夠帶來諸多好處。弧形葉根同時(shí)也是出于安裝方便的考慮，但是這種結(jié)構(gòu)會(huì)增加榫根及榫槽的加工困難。

圖7 CFM56-7實(shí)心寬弦風(fēng)扇葉片

5 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)是CFMI公司研發(fā)的作為CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖8所示，為下一代先進(jìn)的雙發(fā)單通道旅客機(jī)研制的、能滿足21世紀(jì)“綠色航空”要求的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)[19-22]。早在2004年，CFMI公司便決定發(fā)展CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的后繼型號(hào)。為此，2005年，啟動(dòng)了一項(xiàng)前沿航空推進(jìn)（Leading Edge Aviation Propulsion）計(jì)劃，LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)便是這一計(jì)劃的產(chǎn)物。2009年12月，中國商用飛機(jī)公司選中LEAP為我國國產(chǎn)打飛機(jī)C919的動(dòng)力，這是LEAP的第一個(gè)用戶，C919于2015年11月2日在上海正式下線，計(jì)劃于2016年取得適航證。CFMI將用于C919的發(fā)動(dòng)機(jī)命名為LEAP-1C，推力為124.5～133.5 kN.

圖8 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片在設(shè)計(jì)過程中采用了許多先進(jìn)技術(shù)，首先，葉片材料為碳纖維復(fù)合材料，如圖9所示，但是在制造過程中并不是簡單地將碳纖維疊加在一起，而是采用先進(jìn)的三維編織樹脂模傳遞成型（3-D WRTM）技術(shù)，利用該技術(shù)將碳纖維進(jìn)行編制從而形成網(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。這樣制造出來的風(fēng)扇葉片不僅重量輕，耐久性好，抗外物打傷能力強(qiáng)，抗振動(dòng)性好，而且能夠成型復(fù)雜型面的葉片。在考核LEAP風(fēng)扇葉片的抗鳥擊實(shí)驗(yàn)中，所用的大鳥質(zhì)量與GE90的抗鳥擊實(shí)驗(yàn)所用大鳥的質(zhì)量相當(dāng)（1.1 kg）。其次，風(fēng)扇葉片采用了寬弦全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，在僅有18片風(fēng)扇葉片的情況下使效率更高。LEAP-1A的風(fēng)扇葉片直徑為1.983 m，整個(gè)風(fēng)扇重76 kg，而直徑為1.5 m的CFM56-7B的24片葉片總重高達(dá)118 kg.再次，風(fēng)扇葉片采用了當(dāng)前普遍采用的寬弦彎掠式結(jié)構(gòu)，越靠近葉尖部分，葉片的彎掠程度越大。這也是經(jīng)過SENCMA公司采用最新的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法得出的優(yōu)化結(jié)果，能夠大大降低風(fēng)扇葉片的流動(dòng)損失，同時(shí)葉片間距減少了25%.寬弦葉片具有諸多優(yōu)點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上看，寬弦葉片具有抗外物損傷能力強(qiáng)、葉片數(shù)目少和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。從氣動(dòng)性能上看，寬弦葉片可以增大風(fēng)扇稠度，從而降低葉片的工作負(fù)荷，使工作切線速度得以降低，也就降低了風(fēng)扇進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)；寬弦葉片的流通能力強(qiáng)，風(fēng)扇流量也會(huì)增大，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力。

圖9 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

6 結(jié)束語

隨著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，對(duì)風(fēng)扇葉片的要求也越來越高，通過對(duì)CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的發(fā)展歷程及設(shè)計(jì)特點(diǎn)的分析，可以看出風(fēng)扇葉片正朝著低重量、低振動(dòng)、高強(qiáng)度和長壽命的方向發(fā)展，高性能的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片是未來的一個(gè)發(fā)展趨勢。國產(chǎn)大飛機(jī)C919的下線對(duì)于發(fā)展我們自己的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片具有很好的催進(jìn)作用，從CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的發(fā)展中學(xué)習(xí)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，有助于我們?cè)缫蝗諡镃919換裝國產(chǎn)商用發(fā)動(dòng)機(jī)做好技術(shù)積累。

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[21]李 杰，巨亞斌.LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)和Tech-X發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)分析[J].航空制造技術(shù)，2013（10）：56-59.

[22]CFM International.LEAP-Brochure-2015[Z].Hamberger：Snecma/GE Design，2015-04-30.