圖文介紹航空發動機的主要零部件

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航空發動機(Aero-engine)是一種高度復雜和精密的熱力機械,作為飛機的心臟,不僅是飛機飛行的動力,也是促進航空事業發展的重要推動力,人類航空史上的每一次重要變革都與航空發動機的技術進步密不可分,本文重點為大傢介紹航空發動機的主要部件結構。

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壓氣機、風扇葉片

冷端核心部件。發動機工作過程中,葉片受到離心力、空氣燃氣產生的氣動力、熱應力、交變力、隨機載荷等影響,占據瞭整個發動機制造30%以上的工作量。在各種載荷的作用下,葉片極易產生高周疲勞、熱疲勞,為瞭保證工作質量、工作效率,葉片的選材及生產工藝都有極高的要求。

圖:渦輪發動機結構

來源:賽峰集團官網

發動機葉片根據所處部位和功能,可以分為風扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片,其中風扇葉片和壓氣機葉片是冷端部件,渦輪葉片屬於熱端部件。

壓氣機葉片又可以分為壓氣機轉子葉片(工作葉片)和壓氣機靜子葉片(整流葉片),渦輪葉片可以分為渦輪工作葉片和渦輪導向葉片。風扇葉片將進入發動機的空氣進行初步壓縮,壓縮後的氣體分為兩路,一路進入內涵道進行繼續壓縮,另一路進入外涵道直接高速排出,產生推力。

壓氣機葉片對進入內涵道的空氣進一步進行壓縮,氣流壓力和溫度明顯升高,以滿足燃燒室需求。渦輪葉片則具有膨脹減壓的效果,可使燃氣的化學能轉化為渦輪的機械能。

葉片的材料有鋁合金、不銹鋼、鈦合金、高溫合金和復合材料葉片等。風扇及壓氣機葉片屬於冷端部件,工作溫度相對較低,一般采用鈦合金、高溫合金等材料,其中鈦合金因其比重低、比強度高、耐腐蝕,在減重方面貢獻突出,所以被大量用於生產壓氣機葉片。

圖:航空發動機葉片分類

圖:風扇葉片

從制造工藝上看,壓氣機葉片葉型薄,易變形,精準控制其成型精度,高效、高質量地加工是葉片制造過程中的核心難點。在各類葉片當中,壓氣機葉片是航空發動機中型面結構最復雜、工作環境最苛刻的零部件之一。

為瞭減少空氣流動動力損失,壓氣機葉片相較於其他部位葉片最大的特點便是其復雜的型面扭轉度以及葉片本身輕薄的厚度。型面復雜的扭轉度具體體現為從葉根到葉尖的葉型彎扭角度的不同另一方面,葉片前後緣的厚度隻有0.1-0.2mm,並且輪廓度要求高。

圖:壓氣機葉片

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渦輪葉片

熱端部件,渦輪葉片屬於航空發動機中的熱端部件,需要在高溫高壓的環境下工作,是渦扇發動機中制造難度最高的葉片。高溫高壓燃氣在渦輪中膨脹做工,推動渦輪高速旋轉以帶動壓氣機,氣流經渦輪出口進入尾噴管,壓力降低,速度增加,最後排出發動機,產生動力。

圖:渦輪葉片

渦輪葉片的結構和材質不斷升級換代。在20世紀中期,主要使用的是第二代發動機,典型型號有斯貝MK202,它主要使用實心渦輪葉片,在這之後逐漸開始使用更為先進的空心渦輪葉片,第五代發動機F135已經采用雙層壁超冷/鑄冷渦輪葉片。

渦輪葉片一般采用高溫合金或鈦鋁合金,通過精密鑄造加工而成餘量小、質量高的葉片毛坯。隨著發動機性能的提升,高壓渦輪葉片逐步發展到瞭定向結晶和單晶材料葉片。

定向結晶是在熔模鑄造型殼中使熔融合金沿著與熱流相反的方向結晶凝固的一種鑄造工藝,采用這種工藝成形的渦輪葉片具有很高的抗熱疲勞和抗熱沖擊性。

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其他零部件

1. 盤類件

主要有渦輪盤、壓氣機盤、整體葉盤。整體葉盤結構是在常規盤片分離結構基礎上發展起來的一種盤片一體化新型結構,具有減重、減級、增效和提高可靠性等優點,材料一般選用鈦合金和高溫合金。

渦輪盤和壓氣機盤都是航空發動機的轉子部件,渦輪盤是航空發動機上用於安裝和固定渦輪葉片以傳遞功率的零部件,承受著高溫、高壓、高轉速工作環境下的復雜載荷。

圖:渦扇發動機零部件結構

2. 機匣

航空發動機上的主要承力部件,為發動機承受載荷和包容的關鍵部件,是典型的薄壁結構零件。

其主要作用為:保護發動機核心機,給裝在外部的發動機部件如燃油泵、滑油泵、發電機和齒輪箱等部件以及管路等提供支撐;內側主要安裝靜子和燃燒室,和轉子組件一起構成空氣流通通道。

機匣按功能進行分類可以分為風扇機匣、外涵機匣、中介機匣、壓氣機機匣、燃燒室機匣等。機匣材料多為鈦合金、高溫合金,加工過程中需要著重控制高精度形位公差及薄壁加工變形。

來源:兩機動力先行

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