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干货丨图文深度介绍航空发动机的主要零部件

发布日期:2023-08-18 00:00:00   作者 :高品质数控机床    浏览量 :324
高品质数控机床 发布日期:2023-08-18 00:00:00  
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航空发动机(Aero-engine)是一种高度复杂和精密的热力机械,作为飞机的心脏,不仅是飞机飞行的动力,也是促进航空事业发展的重要推动力,人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分,本文重点为大家介绍航空发动机的主要部件结构。


一、压气机、风扇叶片


冷端核心部件。发动机工作过程中,叶片受到离心力、空气燃气产生的气动力、热应力、交变力、随机载荷等影响,占据了整个发动机制造30%以上的工作量。在各种载荷的作用下,叶片极易产生高周疲劳、热疲劳,为了保证工作质量、工作效率,叶片的选材及生产工艺都有极高的要求。


图:涡轮发动机结构 来源:赛峰集团官网


发动机叶片根据所处部位和功能,可以分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片,其中风扇叶片和压气机叶片是冷端部件,涡轮叶片属于热端部件。


压气机叶片又可以分为压气机转子叶片(工作叶片)和压气机静子叶片(整流叶片),涡轮叶片可以分为涡轮工作叶片和涡轮导向叶片。风扇叶片将进入发动机的空气进行初步压缩,压缩后的气体分为两路,一路进入内涵道进行继续压缩,另一路进入外涵道直接高速排出,产生推力。


压气机叶片对进入内涵道的空气进一步进行压缩,气流压力和温度明显升高,以满足燃烧室需求。涡轮叶片则具有膨胀减压的效果,可使燃气的化学能转化为涡轮的机械能。


叶片的材料有铝合金、不锈钢、钛合金、高温合金和复合材料叶片等。风扇及压气机叶片属于冷端部件,工作温度相对较低,一般采用钛合金、高温合金等材料,其中钛合金因其比重低、比强度高、耐腐蚀,在减重方面贡献突出,所以被大量用于生产压气机叶片。


图:航空发动机叶片分类


图:风扇叶片


从制造工艺上看,压气机叶片叶型薄,易变形,精准控制其成型精度,高效、高质量地加工是叶片制造过程中的核心难点。在各类叶片当中,压气机叶片是航空发动机中型面结构最复杂、工作环境最苛刻的零部件之一。


为了减少空气流动动力损失,压气机叶片相较于其他部位叶片最大的特点便是其复杂的型面扭转度以及叶片本身轻薄的厚度。型面复杂的扭转度具体体现为从叶根到叶尖的叶型弯扭角度的不同另一方面,叶片前后缘的厚度只有0.1-0.2mm,并且轮廓度要求高。


图:压气机叶片


二、涡轮叶片


热端部件,涡轮叶片属于航空发动机中的热端部件,需要在高温高压的环境下工作,是涡扇发动机中制造难度最高的叶片。高温高压燃气在涡轮中膨胀做工,推动涡轮高速旋转以带动压气机,气流经涡轮出口进入尾喷管,压力降低,速度增加,最后排出发动机,产生动力。


图:涡轮叶片


涡轮叶片的结构和材质不断升级换代。在20世纪中期,主要使用的是第二代发动机,典型型号有斯贝MK202,它主要使用实心涡轮叶片,在这之后逐渐开始使用更为先进的空心涡轮叶片,第五代发动机F135已经采用双层壁超冷/铸冷涡轮叶片。


涡轮叶片一般采用高温合金或钛铝合金,通过精密铸造加工而成余量小、质量高的叶片毛坯。随着发动机性能的提升,高压涡轮叶片逐步发展到了定向结晶和单晶材料叶片。


定向结晶是在熔模铸造型壳中使熔融合金沿着与热流相反的方向结晶凝固的一种铸造工艺,采用这种工艺成形的涡轮叶片具有很高的抗热疲劳和抗热冲击性。


三、其他零部件


1. 盘类件


主要有涡轮盘、压气机盘、整体叶盘。整体叶盘结构是在常规盘片分离结构基础上发展起来的一种盘片一体化新型结构,具有减重、减级、增效和提高可靠性等优点,材料一般选用钛合金和高温合金。


涡轮盘和压气机盘都是航空发动机的转子部件,涡轮盘是航空发动机上用于安装和固定涡轮叶片以传递功率的零部件,承受着高温、高压、高转速工作环境下的复杂载荷。


图:涡扇发动机零部件结构


2. 机匣


航空发动机上的主要承力部件,为发动机承受载荷和包容的关键部件,是典型的薄壁结构零件。


其主要作用为:保护发动机核心机,给装在外部的发动机部件如燃油泵、滑油泵、发电机和齿轮箱等部件以及管路等提供支撑;内侧主要安装静子和燃烧室,和转子组件一起构成空气流通通道。


机匣按功能进行分类可以分为风扇机匣、外涵机匣、中介机匣、压气机机匣、燃烧室机匣等。机匣材料多为钛合金、高温合金,加工过程中需要着重控制高精度形位公差及薄壁加工变形。



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