我們都知道允瞧，發(fā)動機作為飛機中推進系統(tǒng)的一個組成部分拭兢，是一種高度復雜和精密的熱力機械皮向，它的造價要遠遠的高于飛機中的其他部件。

下面是幾種不同型號的航空發(fā)動機：

圖1：勞斯萊斯梅林V-12引擎

圖2：一個ULPower UL260i水平對置氣冷式航空發(fā)動機

圖3：GEnx商用飛機發(fā)動機的內(nèi)部構造

一怕枣、航空發(fā)動機葉片

首先划万，我們看幾張發(fā)動機葉片基本形狀和構造。

圖4：發(fā)動機簡圖

發(fā)動機中葉片主要分為四個部分：

扇葉（fan blades）

壓氣機葉片（compressor blades）

高壓渦輪葉片（high pressure turbine blades）

低壓渦輪葉片（lowpressure turbine blades）

圖5：GEnx-2B的風扇葉片和進口導流葉

圖6：噴氣式飛機發(fā)動機的渦輪葉片

圖7：風扇葉片

你知道葉片在發(fā)動機中起多大作用嗎庸既？

發(fā)動機中完成對氣體的壓縮和膨脹招蠕，并且以最高的效率產(chǎn)生強大的動力來推動飛機前進的工作的就是這眾多的葉片卑蚓。

葉片是一種特殊的零件，它數(shù)量多倾莽，形狀復雜径泉，要求高，加工難度大板刑，而且是故障多發(fā)的零件一直以來各發(fā)動機廠的生產(chǎn)的關鍵缰兄，因此對其投入的人力、物力邑键、財力都是比較大的上煤，而且國內(nèi)外發(fā)動機廠家正以最大的努力來提高葉片的性能，生產(chǎn)能力及質(zhì)量著淆，以滿足需要劫狠。

二、葉片的形狀設計

說了這么多永部，你可能會有疑問了独泞，既然葉片數(shù)量多，為什么不把它設計成直的規(guī)則圖形苔埋，而是一個凹的曲線狀呢懦砂？這樣一來既減少了很多加工工藝，又降低了設計難度讲坎，可以減少很多成本孕惜。

為了解釋這個問題，先給大家介紹一些基本的概念知識晨炕。

首先衫画，什么是流道？下圖是兩個典型的流道圖瓮栗。

圖8：壓氣機流道圖

圖9：渦輪流道圖

其次树季，圓周速度的計算公式是什么？在流道中番链，由于在不同的半徑上令叉，圓周速度是不同的，（這個可以根據(jù)下圖中的計算公式得到）

圖10：圓周速度

最后蝉齐，什么是氣流的攻角溜帐？氣流的攻角是氣流相對于葉片速度方向與葉片弦線夾角。

圖11：以飛機機翼為例多梅，展示氣流的攻角

接下來解釋葉片為什么一定要扭呢勃核？

由于在流道中，不同半徑上的圓周速度是不同的苏蒿，那么就導致在不同的半徑基元級中俩孽，氣流的攻角相差極大猬听；

在葉尖，由于半徑大患达，圓周速度大记令，就造成很大的正攻角，結(jié)果使得葉型葉背產(chǎn)生嚴重的氣流分離习劫；在葉根咆瘟，由于半徑小，圓周速度小诽里，造成很大的負攻角搞疗，結(jié)果使得葉型的葉盆產(chǎn)生嚴重的氣流分離。

圖12：葉片背面和端面

因此须肆，對于直葉片來說，除了最近中徑處的一部分還能工作之外桩皿，其余部分都會產(chǎn)生嚴重的氣流分離豌汇，也就是說，用直葉片工作的壓氣機或渦輪泄隔，其效率是極其低劣的拒贱，甚至會達到根本無法運轉(zhuǎn)的地步。

這也就是為什么葉片一定要扭的原因佛嬉。

三逻澳、葉片設計的幾何參數(shù)

葉片的幾何尺寸如下表：

圖13：壓氣機葉片葉柵幾何參數(shù)示意圖

表1 葉片的幾何參數(shù)

四、葉片技術的改良

由于葉片的好壞優(yōu)劣直接決定飛機發(fā)動機的性能和質(zhì)量暖呕，現(xiàn)如今士敬，在葉片的設計和制造領域仍面臨很多挑戰(zhàn)。下圖是未來技術的一個設想：

圖14：葉片技術改良

它將采用更先進的空氣動力學和通道塑造雾逢，更先進的制造工藝彻芒，盡可能少的套管渦輪機設計，以及更先進的材料赂阻，等等尘晓。

另外，還有GE公司提出的GE9X發(fā)動機邪慧，風機葉片采用碳纖維復合材料验阱，是一種全新的、更有效的設計秆尝，它減少了葉片的數(shù)量（從22到18）降蹋，并減輕了重量。

圖15：碳纖維復合材料風機葉片—GE9X發(fā)動機

葉片的設計技術日益更新和完善幽摔，那么就讓我們對未來的葉片惯狠，未來的發(fā)動機拭目以待吧丙图！

圖16：GENX-2B飛機引擎

測量

葉片作為發(fā)動機的相關重要部件之一，其在航空發(fā)動機制造中所占比重約為30%空猜。

由于葉片形狀復雜绽慈、尺寸跨度大（長度從20mm~800mm）、受力惡劣辈毯、承載最大坝疼，且在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工況下運轉(zhuǎn)谆沃，使得發(fā)動機的性能在很大程度上取決于葉片型面的設計制造水平钝凶。

為滿足發(fā)動機高性能、可靠性及壽命的要求唁影，葉片通常選用合金化程度很高的鈦合金耕陷、高溫合金等材料制成；同時由于葉片空氣動力學特性的要求据沈，葉型必須具有精確的尺寸哟沫、準確的形狀和嚴格的表面完整性。

隨著航空發(fā)動機性能要求越來越高锌介，各大主機生產(chǎn)廠對葉片加工精度要求也越來越高嗜诀。目前，航空發(fā)動機的葉片制造方法主要有電解加工症旭、銑削加工瀑捣、精密鍛造、精密鑄造等秉返。其中驼值，數(shù)控銑削加工由于加工精度高、切削穩(wěn)定螺坟、工藝成熟度高等優(yōu)點而被廣泛應用披腻。

然而由于葉片零件壁薄、葉身扭曲大底咳、型面復雜唱撩，容易產(chǎn)生變形，嚴重影響了葉片的加工精度和表面質(zhì)量珍霉。如何嚴格控制葉片的加工誤差殃倒，保證良好的型面精度，成為檢測工作關注的重點嘿杖。

葉片型面是基于葉型按照一定積累疊加規(guī)律形成的空間曲面梁泞，由于葉片形狀復雜特殊、尺寸眾多趾痘、公差要求嚴格慢哈，所以葉片型線的參數(shù)沒有固定的規(guī)律蔓钟，葉片型面的復雜性和多樣性使葉片的測量變得較為困難。

傳統(tǒng)的檢測方法無法科學地指導葉片的生產(chǎn)加工卵贱，隨著汽輪機滥沫、燃氣機等制造業(yè)的發(fā)展，要求發(fā)動機不斷更新?lián)Q代键俱，提高發(fā)動機的安全性和可靠性兰绣；先進技術的體現(xiàn)在于葉片的改進與創(chuàng)新，從而必須提高葉片制造技術水平编振，同時要求葉片加工測量實現(xiàn)數(shù)字化缀辩，體現(xiàn)其精準度，精確給出葉片各點實際數(shù)值與葉片理論設計的誤差踪央。

且隨著我國航空發(fā)動機制造企業(yè)的迅猛發(fā)展臀玄，發(fā)動機葉片數(shù)量大、種類多畅蹂，檢測技術面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)略雪。

目前，在國內(nèi)的葉片檢測過程中渴肿，傳統(tǒng)的標準樣板測量手段仍占主導地位，效率低下在策、發(fā)展緩慢肥爵，嚴重制約著設計、制造和檢測的一體化進程敌灰。

為適應快速高效檢測要求舶抚，目前西方發(fā)達國家已普遍采用三坐標測量機對葉片進行檢測。

由于航空發(fā)動機葉片的數(shù)量大甥晦、檢測項目多寄硬，三坐標檢測技術的引入很大程度地改善了葉片制造過程中檢測周期長、檢測結(jié)果不準確以及由于和外方檢測方式不一致所導致的檢測結(jié)果差異過大的問題敢亥。

三坐標檢測所特有的適用性強响徒、適用面廣、檢測快速梳命、結(jié)果準確的這一優(yōu)點丹禀，使得三坐標測量機在葉片生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應用。

近年來鞋怀，隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展双泪，三坐標測量機在葉片生產(chǎn)主機廠家逐漸得到普及。

但由于葉片型面復雜密似、精度要求高焙矛，不同廠家的測量方式葫盼、測量流程和數(shù)據(jù)處理方式不同，導致葉片的測量結(jié)果不一致村斟，測量工作反復贫导，嚴重制約著葉型檢測效率的提高。
葉型檢測難點具體表現(xiàn)為：
（1）測量精度和效率要求高邓梅。葉片型面的測量精度直接反映制造精度脱盲，通常要求測量精度達到10μm，甚至1μm日缨。

因此對測量環(huán)境要求嚴格苛刻钱反，通常需要專門的測量室。葉片是批量生產(chǎn)零件匣距，數(shù)量成千上萬冷泵，應盡可能提高測量速度和效率。生產(chǎn)車間和測量室之間的反復運輸和等待梗药，使得檢測效率低下傀脑。
（2）測量可靠性要求高。葉片測量和數(shù)據(jù)處理結(jié)果應反映葉片的實際加工狀態(tài)自凛，這樣才能保證葉片的制造質(zhì)量茅苏。
（3）數(shù)據(jù)處理過程復雜。葉片圖紙上不但有葉型费抚、弦長推兄、前緣后緣半徑等尺寸誤差要求，還有葉片的形狀輪廓斟拘、彎曲蔚奕、扭轉(zhuǎn)、偏移等形位誤差要求拾撇。

利用三坐標測量機獲取的測量數(shù)據(jù)存在噪點匙豹，通常需要對原始的測量點集進一步簡化，提取不同的尺寸和特征參數(shù)狂秦；還需進行復雜的配準運算灌侣，迭代求解葉片的形位誤差。

其中算法選用不同得到的誤差評定結(jié)果各有差異裂问，導致整個處理過程復雜顶瞳。

葉片測量新技術
（1）基于數(shù)字樣板葉型檢測方法。
標準樣板是根據(jù)葉片的理論型線設計制造的與葉型截面對應的母模量具愕秫，使用葉片固定座（即型面測具）把葉片固定后慨菱，用處于理想位置的葉盆標準樣板和葉背標準樣板檢查葉盆、葉背型面間隙，并反復調(diào)整葉片空間位置符喝，以型線的吻合度作為衡量其是否合格的依據(jù)闪彼。

葉型設計圖多以透光度，或相對誤差來表示协饲，如±0.15mm畏腕。這個比對誤差實際上并不是單純的形狀誤差，而是形狀誤差茉稠、尺寸誤差描馅、位置誤差三者的綜合體。
針對標準樣板法的特點和存在的缺點扑姆，西北工業(yè)大學研究了基于數(shù)字樣板的檢測方法脸夸。

數(shù)字樣板檢測方法是基于標準樣板法的原理，利用數(shù)字化測量手段獲取測量數(shù)據(jù)牌宜，然后利用虛擬的數(shù)字樣板期油，與實測的數(shù)據(jù)進行匹配，在公差約束條件下達到最佳匹配骡眼。最后在該最佳姿態(tài)下须拒，求解葉型各項形位誤差。

下文將數(shù)字樣板檢測方法歸納為三個主要過程：實物樣板數(shù)字化晌爹、匹配過程模型化玛繁、誤差評定過程自動化。實物樣板數(shù)字化是將傳統(tǒng)的實物樣板轉(zhuǎn)換為CAD模型肖自，以數(shù)字模型的方式進行樣板比對和誤差評定号呜。

由葉片設計模型構造的三維CAD模型，它包括了加工葉片完整的截面幾何信息征蜻、基準信息，是數(shù)字樣板法誤差評定的模型基礎诽表，可以進行表面輪廓度分析唉锌、葉型特征參數(shù)和形位誤差的分析和評定。

對于數(shù)字樣板法的原始測量點集竿奏，主要通過CMM測量獲得袄简。在數(shù)字樣板構造的基礎上，通過匹配過程的模型化對測量數(shù)據(jù)和數(shù)字樣板自動進行調(diào)整泛啸。

針對數(shù)字樣板法中的原始測量數(shù)據(jù)绿语，通常需要進行數(shù)據(jù)預處理，獲取真實有效的型面測量數(shù)據(jù)參與數(shù)字樣板檢測候址。

其中吕粹，數(shù)據(jù)預處理包括測量點去噪、測頭半徑補償、坐標變換匹耕、測量點與曲面的配準聚请、測量點排序等。其中稳其，數(shù)據(jù)處理的第一步驶赏，就是對得到的型面測量點進行去噪，篩選有效的測量數(shù)據(jù)壹事。

其次罕识， CMM測量得到的數(shù)據(jù)是測頭球心數(shù)據(jù)，必須進行測頭半徑補償责什。對于葉片測量時的裝夾引起的系統(tǒng)誤差舒脐，在樣板匹配前必須進行坐標系對齊來消除。
（2）葉片高速連續(xù)掃描技術啰蕴。
為提高整體葉盤葉片的檢測效率暑吹，雷尼紹公司近年來開發(fā)了SPRINT高速掃描系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的機內(nèi)測量技術相比码承，SPRINT葉片測量系統(tǒng)可以顯著縮短測量循環(huán)時間凄跑，對葉片前邊緣也能提供精確出色的測量結(jié)果，可以為葉片自適應加工城离、工序間檢測等提供很好的檢測數(shù)據(jù)炭刺。

葉片測量分析軟件可通過數(shù)控機床控制器上的Productivity+? CNC plug-in直接運行，因此測量數(shù)據(jù)可通過宏變量自動提供給數(shù)控機床娜食，也可以自動提供給連接的計算機進行下游數(shù)據(jù)處理煮落。

SPRINT系統(tǒng)配備的OSP60 SPRINT測頭每秒可以采集1000個3D數(shù)據(jù)點，從而可以滿足葉片在機快速檢測的要求踊谋。
利用SPRINT系統(tǒng)進行測量時蝉仇，在CNC機床上分別從四個方向?qū)θ~片進行測量，從而避免在測量過程中發(fā)生測頭與工件之間的碰撞干涉殖蚕。

在測量之后轿衔，四部分的測量數(shù)據(jù)將被拼合成一個完整的葉片測量數(shù)據(jù)集。SPRINT系統(tǒng)可以用于加工過程中工序間的檢測睦疫，以確保產(chǎn)品的加工過程正確害驹。同時，還可以作為加工完之后的質(zhì)量檢測使用蛤育。

加工過程中以及加工后的型面誤差檢測是確保葉片加工質(zhì)量符合公差要求的必要手段宛官。隨著測量技術的不斷發(fā)展，逐漸發(fā)展處快速瓦糕、簡易底洗、高效的葉片測量與數(shù)據(jù)處理技術腋么。

同時，隨著智能加工技術的發(fā)展枷恕，在機快速檢測技術將推動葉片加工質(zhì)量與成品率的提升佩嘀。在這一發(fā)展過程中，需要重視和建立葉片在機測量和加工質(zhì)量的評估標準遵艰，從而為這類技術的推廣使用奠定基礎沫杜。

質(zhì)量控制

航空發(fā)動機葉片是發(fā)動機的核心部件之一，發(fā)動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平电摔。

發(fā)動機就是依靠這眾多的葉片完成對氣體的壓縮和膨脹以及以最高的效率產(chǎn)生強大的動力來推動飛機前進的工作垛岛，它的曲面形狀和制造精度直接決定了飛機發(fā)動機的推進效率的大小。 

圖17：JAT生產(chǎn)的航空發(fā)動機

什么是發(fā)動機葉片

圖18：各類型葉片

航空發(fā)動機葉片是發(fā)動機的核心部件之一稀崔，發(fā)動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平（各類型葉片如圖2所示）限剩。

葉片是一類典型的自由曲面零件，發(fā)動機就是依靠這眾多的葉片完成對氣體的壓縮和膨脹以及以最高的效率產(chǎn)生強大的動力來推動飛機前進的工作泉剔，它的曲面形狀和制造精度直接決定了飛機發(fā)動機的推進效率的大小魂麦，

圖19：噴氣發(fā)動機的渦輪葉片 

葉片質(zhì)量為何如此重要 

在航空發(fā)動機中，葉片型面的復雜程度非常高假却，尺寸跨度大钧失，而且承載也比較大，如圖4夏跷、5所示哼转。

葉片的工作性能受到其幾何形狀和尺寸的直接影響，當葉片型面的質(zhì)量比較差時槽华，發(fā)動機會承受二次流損耗壹蔓，進而影響能量轉(zhuǎn)換效率。

基于此猫态，在進行葉片型面制造時佣蓉，要對質(zhì)量十分的注重，通過檢測技術的有效應用亲雪，提升提高葉片型面制造的質(zhì)量勇凭，并保證航空發(fā)動機的性能。

圖20：復雜發(fā)動機葉片

圖21：GE9X發(fā)動機的薄葉片

怎樣控制葉片質(zhì)量

葉片質(zhì)量控制的主要手段為檢測匆光，當前套像，比較常用的發(fā)動機壓氣機葉片型面檢測技術比較多酿联，下面主要為大家介紹幾種葉片型面檢測技術终息，以便于提升檢測工作的有效性，保證葉片制造的質(zhì)量贞让，提升航空發(fā)動機的性能艺滑。

圖22：工程師檢查發(fā)動機葉片

圖23：工程師檢查發(fā)動機葉片

圖24：測量發(fā)動機葉片 

幾種葉片檢測技術

電感測量技術

對于機械位移量，通過電感方法對其進行轉(zhuǎn)換，變成電量之后進行放大跳犹、處理塌卜，最后，將機械位移量顯示出來玻冗，這種測量方法就是電感測量启脉。

在利用電感測量方法檢測時，不能單獨進行使用逐枢，需要配備相應的測量機械裝置综澄，以便于對被測零件進行定位，并將傳感器固定遍跌。

優(yōu)點：簡便性比較高神卢，能夠?qū)崿F(xiàn)直觀的測量，而且測量的精度和效率都比較高哑立。在進行航空發(fā)動機壓氣機葉片型面檢測時袒碍，經(jīng)常使用此種方法。 

圖25：渦輪葉片探傷

局限：從理論上來說杰捂，檢測時葉片各個部位的形狀可以通過加密測點的方法來進行舆床，不過，在使用加密測點方法后琼娘，檢測的復雜程度提升峭弟，尤其是葉片型面型線的測量，由于測量點比較多脱拼，測量無法有效的保證瞒瘸。

光學投影檢測技術

利用光學投影檢測技術對葉片型面進行檢測時，需要借助相應的光學投影設備熄浓，通常來說情臭，斷面投影儀以及光學跟蹤投影儀是比較常用的兩個設備。

圖26：光學投影檢測

優(yōu)點：通過光學投影設備的屏幕赌蔑，檢測人員可以直接的觀看葉型俯在；經(jīng)過放大之后，將其與理想葉型對比娃惯，進而準確的發(fā)現(xiàn)實際葉型與理想葉型之間存在的差異跷乐，從而有針對性的對實際葉型進行改進，保證葉片制造的質(zhì)量罗迎。

圖27：光學投影檢測環(huán)路

局限：在進行檢查時泊宴，葉片表面反射能力會在很大程度上影響檢測結(jié)果，導致檢測結(jié)果的準確性降低秒足；另外钱图，屏幕也具備一定的限制性荞狠，只有弦寬不大的葉子才能利用此種檢測技術進行檢測。

三坐標測量技術

在三坐標測量技術中撩怀，參考系為空間直角坐標系告锅，機械零件在利用此種技術檢測時，輪廓上各被測點的坐標值可以準確的測量出來双竣，同時守迫，還可以處理數(shù)據(jù)群，將零件各個幾個元素形位尺寸計算出來渤尚。

圖28：三坐標測量技術測量葉片坐標 

優(yōu)點：測量對象數(shù)字化殿恤；利用誤差補償技術，測量精度顯著提升演徘；利用算法靈活的軟件慎陵，提升檢測的有效性；自動化測量喻奥，減少人力使用席纽，節(jié)約檢測成本，提升檢測質(zhì)量撞蚕，從設計到制造到檢測润梯，實現(xiàn)一體化。 

圖29：三坐標測量技術曲線偏差評估 

局限：測量機所需花費的成本比較高甥厦，對工作環(huán)境的要求比較高纺铭，功能冗余的專業(yè)性比較差，測量軟件需要進行二次開發(fā)刀疙，測量效率比較差舶赔，而且測量時間比較長。

標準樣板法

將標準樣板和實際葉片對應檢測截面靠近谦秧，在照明燈光的輔助下竟纳，根據(jù)二者之間漏光間隙的大小，來對實際葉片與標準樣板之間的誤差進行估計疚鲤。

圖30：獲得標準樣板

圖31：標準樣板

優(yōu)點：檢測時速度比較快锥累，而且操作比較簡單，比較適合在現(xiàn)場使用溢扳。在進行葉片加工時炸笋，標準樣板法得到了比較廣泛的應用。

圖32：標準樣板用于模型比對

局限：零件合格與否的檢測為定性檢測祠乔，測量精度比較差地毁；樣板與葉型型線之間具備對應關系，一個樣板只能檢測與其對應的葉片截面的一條型線锡疗，因此需要很多數(shù)量的標準樣板才能完成檢測鼓宿，花費的檢測成本比較高。

因此囊嘲，在當前的葉片型面檢測中情键，只有工序間型面檢測才會應用標準樣板法。

激光測量技術 

圖33：激光振動計檢測發(fā)動機葉片 

比較典型的激光測量技術主要有兩種锯帚，一種是四坐標激光測量钢墩，一種是激光掃描測量。

四坐標激光測量的基礎為三坐標測量楞播，增加精密轉(zhuǎn)臺用押，通過非接觸式激光側(cè)頭完成測量；激光掃描測量為高速掃描葉片靶剑，借助激光光束蜻拨，在進行掃描時，獲取葉片型面大量點云數(shù)據(jù)桩引，形成點云圖缎讼，以標準葉片的CAD模型為參考依據(jù)，進行對比分析坑匠，找出存在的誤差血崭。

圖34：接觸式激光三角測量

圖35：激光測量葉片傾角 

優(yōu)點：檢測速度比較快，采樣頻率比較高厘灼，具備比較高的檢測效果夹纫。

局限：測量精度稍差。在實際的航空發(fā)動機壓氣機葉面型面檢測中设凹，應用還比較少舰讹。

（航空微讀；航空制造網(wǎng)）

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