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航發科普:夏天到了 一起來跟發動機學減重瘦身

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北方首輪高溫來襲,炎炎夏日,減重瘦身成為熱點話題。你知道嗎,航空發動機也需要“減重瘦身”,但航空發動機的“減重瘦身”并不是為了追求美好線條,而是出于對更高性能的需要。

讓航空發動機“減重瘦身”并不簡單,對航空發動機的設計者來說,輕量化設計需要多個學科的綜合改進。那么,航空發動機究竟要如何實現“減重瘦身”呢?

結構輕量化設計

航空發動機“減重瘦身”第一條攻略:結構輕量化,相當于對人體不同部位減重,對于發動機來說,就是在保證結構強度、安全性的前提下,盡可能降低其總質量。

民航運營使用的所有航空發動機結構中,輕量化設計最明顯的是整體葉盤和整體葉環。整體葉盤結構替代了傳統榫槽連接的獨立結構,大大減輕結構重量。

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在所有渦輪螺旋槳發動機中,“減肥”最成功的莫過于GE公司的ATP發動機?;?D打印技術特點,ATP發動機中855個獨立部件減少為12個,發動機減重5%。

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ATP發動機

材料輕量化設計

航空發動機“減重瘦身”第二條攻略:材料輕量化,相當于人的減脂增肌,這種方式依賴材料與技術的進步。

商用發動機中,風扇段質量占發動機總質量的30%-35%,降低風扇段質量是減重的關鍵手段。風扇葉片每減重1kg,風扇機匣和傳動系統也相應減少1kg,同時發動機結構和飛機的機翼/機身結構也分別減重0.5kg。

風扇葉片減重

GE90發動機是最早采用復合材料風扇葉片的發動機,共采用了22片復合材料,風扇葉片的總質量為349kg,與鈦合金空心葉片相比質量輕66%;之后的GEnx、LEAP發動機風扇葉片為18片,后者整體減重227kg。預計明年投入使用的GE9X僅有16片風扇葉片,使用的是第四代復合材料風扇葉片。

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GEnx復合材料風扇葉片

風扇包容機匣減重

CFM56系列發動機的包容風扇機匣使用的是17-4PH不銹鋼材料,CF6-80C2發動機則使用薄壁金屬機匣和多層芳綸織物的復合材料風扇機匣,比金屬結構最大減重50%;GE90發動機是第一臺采用全復合材料風扇機匣的發動機,實現重量大幅減輕;GEnx復合材料風扇機匣使每臺發動機減重160kg;LEAP發動機的復合材料風扇機匣和鋁相比減重30%。

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CFM56發動機

即將在2020年投入使用的Advance發動機采用碳纖維復合材料葉片、機匣,與早期的Trent發動機相比,將減重680kg。

高壓渦輪外環減重

陶瓷基復合材料用于發動機的熱端部件,承受的工作溫度要遠高于高溫合金材料。其密度僅為金屬材料的1/3,因此能夠實現減重,目前使用這種材料減重的零件是LEAP發動機上的渦輪外環,每臺發動機有18個外環塊,可以有效減少發動機重量。

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LEAP發動機上的渦輪外環

其他熱端部件減重

陶瓷基復合材料未來將在航空發動機領域大展拳腳。明年即將投入使用的GE9X發動機的燃燒室和高壓渦輪部分將采用陶瓷基復合材料,其渦輪轉子葉片能夠實現葉片減重2/3。

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陶瓷基復合材料在航空發動機上的應用

航空發動機的“減重瘦身”與技術進步息息相關,隨著設計、材料、制造技術的進一步發展,未來航空發動機一定還會有更多的“減重瘦身”秘籍,讓我們拭目以待。(中國航發西航 張巖)

責任編輯:助理編輯 馮歡

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