最新航空發(fā)動機設計中的矛盾與統(tǒng)一(編輯修改稿)
2024-07-27 04:50 本頁面
【文章內容簡介】 機結構也需要相應的變化。第1，涵道比增加需要更大的風扇、更長的風扇葉片。因此風扇葉片所受的離心力會增加，風扇的強度要求增加，重量也相應增大；第2，涵道比增加，需要更大的外涵道，因此發(fā)動機外涵道重量也會增大；第3，涵道比增加，風扇對空氣做的功也會增加，由于風扇是由發(fā)動機后部的渦輪帶轉的，因此渦輪需要產(chǎn)生更大的功率；第4，涵道比增加，為了限制風扇葉片尖端速度，風扇轉子需要相應減小，則渦輪的轉速也會相應減小。由于渦輪既需要功率增加，又不得不轉速減小，因此渦輪需要更多的級數(shù)，即發(fā)展成為多級渦輪。這進一步增加了發(fā)動機的質量?？傊?，涵道比的增加造成了發(fā)動機整體重量的增大，又造成了飛機總重量的增大，使得飛機的經(jīng)濟性下降。這是矛盾的第二個方面。渦輪風扇發(fā)動機矛盾兩個方面的相互作用的結果，就是涵道比處在一個既盡量大，而且在工程材料和加工工藝能夠允許的極限范圍以內。并且隨著科學探索、工程經(jīng)驗、材料技術、加工工藝的不斷進步，四十多年來，渦輪風扇發(fā)動機的涵道比從1以內增加到如今CFM公司發(fā)展的LeapX發(fā)動機具有的高達12以上的涵道比。并且發(fā)展出了復合材料風扇葉片、復合材料外涵包覆材料、空心風扇葉片等高技術?？梢钥闯觯瑴u輪風扇發(fā)動機的涵道比與結構重量之間的矛盾，推動了渦輪風扇發(fā)動機的長期不斷發(fā)展。結構設計與加工工藝的矛盾飛機發(fā)動機是一個復雜精密的機械系統(tǒng)，追求在更小的體積內，產(chǎn)生更大的推力，這對結構設計和加工工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。這其中，結構設計和加工工藝之間也存在對立統(tǒng)一的關系。圖 5 外形復雜的復合材料風扇葉片結構設計的目標是保證部件的功能全面、效率高、體積小，因此，部件結構設計中努力追求形式復雜、表面光滑、加工誤差小、部件間隙小。舉例來說，航空發(fā)動機渦輪部件中渦輪葉片葉尖與渦輪涵道內壁之間的縫隙會漏氣，造成渦輪效率的下降，因此在設計中盡量減小渦輪葉尖和內壁間的縫隙。再舉例來說，為了保證渦輪葉片在高溫的燃氣流中避免熔化、變形和長久工作，需要在葉片中通入冷氣以進行冷卻，因此設計中盡量保證以更少量的冷氣、完整覆蓋葉片表面，并對溫度高的部位加強冷卻，因此葉片內冷卻通道極為復雜。下圖為某空心渦輪葉片橫截面上展現(xiàn)的葉片內冷卻通道。圖 6 結構復雜的空心渦輪葉片加工工藝包括工程材料的選取、工程材料的加工方法、加工設備、加工誤差標準、加工配合標準、通用零件標準等。追求的目標，是制造工程節(jié)約、經(jīng)濟、快速、簡單、標準化、易維修等。因此復雜的結構設計對加工工藝提出了極高的要求，許多優(yōu)秀的結構設計，由于加工工藝水平的限制，或者不能采用，或者實際性能與設計性能相去甚遠。舉例來說，若渦輪葉片尖端與渦輪內涵道內壁縫隙設計值過小，則需要付出很大的代價對葉片和內壁進行高精度的加工，加工后的表面還需要高精度的檢測，這引起發(fā)動機制造的成本大幅上升。并且由于精密加工工藝總伴隨著良品率的下降，若不符合設計要求的葉片被安裝在發(fā)動機上，在工作中，渦輪葉片與涵道內壁可能發(fā)生蹭磨。這
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