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澳门财神线上娱乐网址 硬核航空 新型发动机零部件中的一些新结构 |陈光谈航发235

2020-01-11 17:23:38来源:admin

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澳门财神线上娱乐网址,陈光/文

航空发动机结构设计是发动机研制、发展与使用中的一个重要环节,好的结构设计,不仅可提高发动机的性能,而且能降低故障率与提高耐久性和可靠性,可获得较大的经济与社会效益。

例如,在新型发动机高压压气机出口卸荷腔的封严处,用新近发展的刷式封严装置(简称刷封)取代常规的篦齿封严装置后,发动机推力一下子可增大2%左右。相应地耗油率也可降低2%左右。

难怪 ge公司的jefryl,kennetha.等人称:“在科学技术已发展到较高水平的今天,气动学专家在部件设计中要作极大的努力才可使发动机性能有0.1%的改进;但是,如能研制出一种新颖的结构设计,就可较容易地使发动机性能获得1%~2%的提高,刷封在发动机上的应用即是一例”。

在战斗机用发动机的发展中,从第三代战斗机f 15的f100到第四代战斗机 f 22的f119;在干线客机用发动机的发展中,从波音747-400 的 pw4000、cf6-80c2 与rb211-524h 到波音777用的pw4084、ge90与遄达800,以及ihptet计划中,均有许多能显著改善发动机性能的新结构设计。

发动机在气动、热力等方面的改进,有时也依赖于用结构设计来解决采用新设计带来的某些矛盾,最终才使其用在发动机上。

例如,风扇叶片的前、后掠设计只有在结构设计中解决了强度、振动、颤振以及提高了抗外物打击的能力后,才在最新发展的发动机例如遄达8104与 ge90 115b 等中得到应用。

另一方面,零部件的新颖结构设计在很大程度上要依靠先进的金属、非金属材料及先进的制造技术才得以实现。

例如宽弦风扇叶片如做成空心带桁条的结构,不仅重量轻,而且强度和抗外物打击的能力均有提高,是令人羡慕的一种设计;但是,只是在采用了扩散连接/超塑性成形技术后这种空心带桁条的叶片才可能实现。

综上所述,当前,在研制与发展新型发动机时,只能在并行工程的机制下,全面与综合地从热力、气动、冷却、结构、材料以及工艺等方面来考虑,缺一不可,这样,才能使研制的发动机具有较先进的全面性能。ihptet计划中,包括了各个领域的工作内容就是很好的例证。

以下将介绍一些新的军、民用发动机中采用的某些新结构设计以及现在正在研究并有很好发展前景的一些新结构,供从事航空发动机研制及使用单位的科技人员参考。

2 风扇与压气机

2.1 空心宽弦风扇叶片

20世纪90年代前,绝大多数发动机的风扇叶片均做成大展弦比的,叶片薄而长,为解决抗外物打击和抗振动问题,距叶尖1/3附近处做有一突肩(个别发动机做有两个突肩),各叶片的突肩相互抵紧,形成一加强环。

但是这种突肩从制造、强度、气动性能及用料等方面均带来问题。采用小展弦比的宽弦叶片,能解决振动与抗外物打击的问题;但是却使叶片重量大增,使轮盘承受不了。

因此在采用小展弦比时须采取措施减轻叶片重量,将叶片做成空心或用复合材料来做是其途径;但做成绝对空心时,叶片抗外物打击能力不够,因此须在空腔中采取加强措施。

图1示出了三种典型的空心宽弦风扇叶片的结构图。图1(a)为带蜂窝芯的空心叶片,在rb211535e4和 v2500中采用;

图1、三种空心宽弦叶片结构图

图1(b)为带桁条的空心叶片,用扩散连接/超塑性成形加工而成,在遄达800系列发动机中采用;图1(c)为带肋条的空心叶片,它由叶盆与叶背两块扩散连接而成,在连接前,将结合面处铣出4条纵向宽槽,连接后即形成带纵向肋条的空腔,pw4084与f119的1级风 扇叶片采用这种结构。在这三种叶片中图1(b)所示结构最轻。

前后掠宽弦风扇叶片

气动学的研究表明,宽弦风扇叶片将前缘设计成前掠或后掠,能大大削弱叶片通道中激波强度和提高效率,但它的实现要从气动与强度一体化来考虑并完成设计。这是因为在前后掠叶片中,气动和结构强度要求是紧密耦合和互相制约的。

由于叶片前缘后掠的形状和程度对气动性能有显著的影响,当采用前后掠后,叶型的重心积叠线不再是径向线,因而除了离心力产生的应力外,还出现了额外的相对于叶型的两个惯性主轴的弯曲应力。

为使总应力达到强度上可接受的水平,应仔细选择前缘前后掠的形状并发展出有效的非径向线积叠程序,以在气动和强度两者之间取得最佳的平衡。目前,带后掠的或带前后掠的宽弦叶片(如图2所示)已开始在发动机上应用。

美国在实施ihptet计划中,准备用2级后掠宽弦风扇叶片取代现有3级风扇在f119发动机上进行试验,如取得成功,今后战斗机发动机中采用2 级风扇是完全可行的。

图2、带前后掠的宽弦风扇叶片

图2(a)所示的是用于遄达8104发动机上的前后掠宽弦风扇叶片,即叶片前缘在叶尖附近是后掠的,其下是前掠的,这可能是第1种用在发动机上的既前掠又后掠的风扇叶片。

遄达8104是罗·罗公司为波音777研制的遄达800系列中推力最大的发动机(2000年2月取证),推力为481kn(10400lbf),与该系列中的第1个型号遄达884(推力为433.5kn)相比,风扇直径未变,推力增加了10%。推力的增加主要是由于采用前后掠风扇叶片,增加了发动机的空气流量和风扇效率而取得的。

在cfm 国际公司开展的为改进发动机性能的 tech56 计划中,有一项将后掠宽弦风扇叶片(如图2(b)所示)装在一台改装的 cfm56 7发动机上进行试验的研究内容,目前已圆满完成了全尺寸性能、侧风和声学试验以及吸鸟台试验。

试验结果表明,与cfm56 7 发动机现用的宽弦风扇叶片相比,在采用后掠宽弦风扇叶片后,可使空气流量提高2%以上,且可提供与 cfm56 7同样的最高效率,最终可使发动机推力提高5%以上,油耗降低1%。

在ihptet所作的一系列风扇台架试验中,得出前掠叶片比后掠叶片性能更好(高的气动效率、大的进口畸变裕度)。

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