袁永偉 趙樹朋* 閔殿喜 李險(xiǎn)峰

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，保定 071000；2.惠陽(yáng)航空螺旋槳有限責(zé)任公司，保定 071000）

風(fēng)洞是航空航天飛行器及超高速列車研制的必備試驗(yàn)設(shè)備，可以說沒有一流的大型風(fēng)洞就沒有一流的航空航天工業(yè)[1]。風(fēng)洞的核心部件是壓縮機(jī)，保證主壓縮機(jī)性能的核心部件是葉片，復(fù)合材料葉片是風(fēng)洞風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中最關(guān)鍵、最核心的部分。葉片的設(shè)計(jì)和采用的材料決定了風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)的性能和效率，也決定了葉片的生產(chǎn)成本。目前，只有美國(guó)掌握了大型風(fēng)洞主壓縮機(jī)高負(fù)載、高溫度碳纖維葉片技術(shù)，并應(yīng)用于16T 風(fēng)洞壓縮機(jī)的葉片，為航空航天飛行器研制提供試驗(yàn)保障。

由于碳纖維葉片所處工作環(huán)境復(fù)雜，其損傷失效模式較多。JENSEN 等人[2]指出扁平化的空腔薄壁結(jié)構(gòu)和材料分層引起的非線性變形是導(dǎo)致葉片構(gòu)件出現(xiàn)損壞和變形的主要原因。WERMAW 等人[3]對(duì)碳纖維葉片損壞失效進(jìn)行了相關(guān)研究分析，提出葉片比較容易受橫向沖擊載荷的影響，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋪層分層是最為關(guān)鍵的失效模式之一?，F(xiàn)階段，有關(guān)碳纖維葉片結(jié)構(gòu)對(duì)異物碰撞產(chǎn)生影響的研究很少。主要針對(duì)軸流壓縮機(jī)空腔碳纖維葉片在低溫、潮濕環(huán)境下氣流入口方向凝結(jié)冰粒或者在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中異物隨著氣流撞擊葉片造成損傷進(jìn)行研究。通過設(shè)計(jì)葉片結(jié)構(gòu)，在葉片尖部和前緣采用蒙皮保護(hù)，減少?zèng)_擊過程產(chǎn)生的損傷，延長(zhǎng)葉片使用壽命，實(shí)現(xiàn)軸流壓縮機(jī)碳纖維葉片的國(guó)產(chǎn)化。

1 風(fēng)洞用軸流壓縮機(jī)

1.1 軸流壓縮機(jī)

軸流式壓縮機(jī)的工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)空氣做功，空氣在扇葉的作用下流動(dòng)速度快速升高，獲得一定的動(dòng)能，然后再將空氣動(dòng)能輸出為壓力能。在相同空氣流量要求下，軸流壓縮機(jī)的徑向尺寸小，特別適用于大流量、高壓力的場(chǎng)合[4-5]。基于這些特點(diǎn)，風(fēng)洞一般采用軸流壓縮機(jī)。此次設(shè)計(jì)的風(fēng)洞用軸流壓縮機(jī)空腔碳纖維葉片運(yùn)行典型工況如表1 所示。

表1 空腔碳纖維葉片運(yùn)行典型工況

1.2 葉片基本工作參數(shù)

葉片是軸流壓縮機(jī)的核心工作部件，葉片設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中占有非常重要的地位。為了滿足設(shè)計(jì)所需的典型工況，本次設(shè)計(jì)的軸流壓縮機(jī)葉片長(zhǎng)度為4 500 mm，最寬處達(dá)到1 200 mm，其基本工作參數(shù)如表2 所示。

表2 碳纖維葉片工作參數(shù)

2 碳纖維葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碳纖維葉片整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，內(nèi)部采用空腔設(shè)計(jì)，壁厚為1.25 ～3.95 mm，主要由蒙皮、前緣管、主梁、方管梁和后緣管等部分組成。碳纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部各向異性，碳纖維葉片主體結(jié)構(gòu)通體采用碳纖維復(fù)合材料。

圖1 碳纖維葉片整體結(jié)構(gòu)（單位：mm）

如果采用實(shí)心結(jié)構(gòu)葉片，那么葉片在受力向下彎曲的過程中，上表面受到的壓力和下表面受到的拉力非常猛烈，而中間部位受到的拉、壓力很小，因此產(chǎn)生的影響并不大[6]。為了減輕整體質(zhì)量，葉片一般采用空腔結(jié)構(gòu)，其前端剖視圖如圖2 所示。

圖2 葉片前端剖面圖（單位：mm）

觀察圖2 可知，葉片工作工程中容易發(fā)生碰撞的部位位于葉片前端，為了提高葉片碰撞強(qiáng)度與可修復(fù)性，在葉片前端處進(jìn)行蒙皮設(shè)計(jì)。在葉片的前端，為了保證葉片受力方位與彎曲載荷的相對(duì)一致性，蒙皮鋪層纖維的排布要依據(jù)葉片的受力方向。由于碰撞存在不確定性，鋪層選用雙向織物比較合適。

3 葉片防沖擊設(shè)計(jì)

3.1 葉片主體設(shè)計(jì)

由于葉片尺寸較大，一般工藝很難一次性加工成型，本次設(shè)計(jì)的碳纖維葉片主體采用分體式設(shè)計(jì)。前緣管1、前緣管2、方管梁和后緣管獨(dú)立加工制作，通過外側(cè)主梁將它們包裹在一起，再通過熱壓縮成型工藝完成葉片主體的制作。葉片設(shè)計(jì)為分體式的目的有兩個(gè)：一是能夠?qū)⒊叽巛^大的復(fù)雜葉片分成尺寸較小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的部件進(jìn)行加工，降低加工難度和加工成本；二是當(dāng)葉片受到較大沖擊時(shí)，葉片的獨(dú)立方格結(jié)構(gòu)將葉片分成不同區(qū)域，受沖擊區(qū)域的方格獨(dú)立部件能夠有效吸收外力，減少?zèng)_擊力對(duì)葉片其他部位的影響。葉片一旦受到大負(fù)荷沖擊導(dǎo)致?lián)舸軌蛴嗅槍?duì)性地進(jìn)行修復(fù)，不至于整個(gè)葉片報(bào)廢，提高了葉片的可修復(fù)性，延長(zhǎng)了葉片的使用壽命。

3.2 蒙皮設(shè)計(jì)

由于葉片屬于薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生碰撞損壞，葉片最外層需要進(jìn)行蒙皮鋪層設(shè)計(jì)[7]。蒙皮設(shè)計(jì)有效解決了葉片因意外發(fā)生輕度碰撞沖擊產(chǎn)生的破壞，能夠延長(zhǎng)碳纖維葉片主體的使用壽命[8]。碳纖維葉片一旦受到輕負(fù)荷撞擊，蒙皮層會(huì)發(fā)生破碎，但是碳纖維葉片主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生損傷，有效增強(qiáng)了葉片的防碰撞能力。

常見的風(fēng)力葉片蒙皮鋪層材料一般由玻璃纖維和泡沫芯材組成。由于風(fēng)洞用軸流壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速高、負(fù)載大，普通的蒙皮設(shè)計(jì)很難保證葉片的使用要求。為了保證鋪層的力學(xué)性能，本設(shè)計(jì)材料選用SW280F-100a/8522 玻璃布、平紋碳布/8522 和N40J/8522 共3 種纖維材料多層鋪設(shè)，總厚度為1.45 mm，大大提高了葉片表面的強(qiáng)度。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)，對(duì)葉片的蒙皮鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，蒙皮鋪層由外而內(nèi)設(shè)置了18 層，如圖3所示。根據(jù)材料特性，需要保證蒙皮鋪層各向異性的要求，設(shè)計(jì)每層材料的厚度及鋪放角度等參數(shù)。首先確定鋪層坐標(biāo)系，葉片軸線為0°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，然后根據(jù)纖維材料鋪設(shè)工藝由內(nèi)向外進(jìn)行。

圖3 蒙皮鋪層圖

4 結(jié)語(yǔ)

未來飛行器設(shè)計(jì)將朝著精細(xì)化方向發(fā)展，對(duì)風(fēng)洞模擬的真實(shí)性和試驗(yàn)?zāi)芰μ岢龈咭螅瑢?duì)風(fēng)洞用軸流壓縮機(jī)的要求越來越高，軸流壓縮機(jī)的葉片設(shè)計(jì)成為一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。壓縮機(jī)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的沖擊、碰撞損傷不可逆，甚至?xí)?dǎo)致葉片失效，需要進(jìn)行更換。通過對(duì)軸流壓縮機(jī)碳纖維葉片結(jié)構(gòu)及外側(cè)蒙皮的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的沖擊防護(hù)，保證葉片使用過程中的安全性與可靠性。