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航发科普
夏天到了,一起来跟发动机学减重瘦身
来源:       发布时间:2019-05-15

  北方首轮高温来袭,炎炎夏日,减重瘦身成为热点话题。你知道吗,航空发动机也需要“减重瘦身”,但航空发动机的“减重瘦身”并不是为了追求美好线条,而是出于对更高性能的需要。

  让航空发动机“减重瘦身”并不简单,对航空发动机的设计者来说,轻量化设计需要多个学科的综合改进。那么,航空发动机究竟要如何实现“减重瘦身”呢?


  01结构轻量化设计


  航空发动机“减重瘦身”第一条攻略:结构轻量化,相当于对人体不同部位减重,对于发动机来说,就是在保证结构强度、安全性的前提下,尽可能降低其总质量。
  民航运营使用的所有航空发动机结构中,轻量化设计最明显的是整体叶盘和整体叶环。整体叶盘结构替代了传统榫槽连接的独立结构,大大减轻结构重量。

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  在所有涡轮螺旋桨发动机中,“减肥”最成功的莫过于GE企业的ATP发动机。基于3D打印技术特点,ATP发动机中855个独立部件减少为12个,发动机减重5%。

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  ATP发动机

 

  02材料轻量化设计

 

  航空发动机“减重瘦身”第二条攻略:材料轻量化,相当于人的减脂增肌,这种方式依赖材料与技术的进步。
  商用发动机中,风扇段质量占发动机总质量的30%-35%,降低风扇段质量是减重的关键手段。风扇叶片每减重1kg,风扇机匣和传动系统也相应减少1kg,同时发动机结构和飞机的机翼/机身结构也分别减重0.5kg。

  风扇叶片减重
  GE90发动机是最早采用复合材料风扇叶片的发动机,共采用了22片复合材料,风扇叶片的总质量为349kg,与钛合金空心叶片相比质量轻66%;之后的GEnx、LEAP发动机风扇叶片为18片,后者整体减重227kg。预计明年投入使用的GE9X仅有16片风扇叶片,使用的是第四代复合材料风扇叶片。

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  GEnx复合材料风扇叶片

  风扇包容机匣减重
  CFM56系列发动机的包容风扇机匣使用的是17-4PH不锈钢材料,CF6-80C2发动机则使用薄壁金属机匣和多层芳纶织物的复合材料风扇机匣,比金属结构最大减重50%;GE90发动机是第一台采用全复合材料风扇机匣的发动机,实现重量大幅减轻;GEnx复合材料风扇机匣使每台发动机减重160kg;LEAP发动机的复合材料风扇机匣和铝相比减重30%。

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  CFM56发动机
  

       即将在2020年投入使用的Advance发动机采用碳纤维复合材料叶片、机匣,与早期的Trent发动机相比,将减重680kg。

  高压涡轮外环减重
  陶瓷基复合材料用于发动机的热端部件,承受的工作温度要远高于高温合金材料。其密度仅为金属材料的1/3,因此能够实现减重,目前使用这种材料减重的零件是LEAP发动机上的涡轮外环,每台发动机有18个外环块,可以有效减少发动机重量。

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  LEAP发动机上的涡轮外环

  其他热端部件减重
  陶瓷基复合材料未来将在航空发动机领域大展拳脚。明年即将投入使用的GE9X发动机的燃烧室和高压涡轮部分将采用陶瓷基复合材料,其涡轮转子叶片能够实现叶片减重2/3。

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  陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用

  航空发动机的“减重瘦身”与技术进步息息相关,随着设计、材料、制造技术的进一步发展,未来航空发动机一定还会有更多的“减重瘦身”秘籍,让大家拭目以待。

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