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战机|空军工程师解秘：航空发动机小小叶片如何驱动战机飞行？

前不久 ， 国外一架民航客机在万米高空航行时 ， 发动机突然发生爆裂 ， 部件碎片击穿客机舷窗 ， 导致飞机瞬间失压 。 事后 ， 有关部门调查称 ， 事故原因是发动机风扇叶片发生断裂 。
叶片是将燃料内能转化为飞机飞行动能的关键零部件 ， 加工难度大、质量要求高 。 叶片一旦发生断裂 ， 将对发动机内部造成连环破坏 ， 给飞机带来致命损伤 。
无论是过去的活塞发动机 ， 还是现在的涡轮风扇发动机 ， 都是通过叶片对空气压缩做功 ， 利用空气反作用力 ， 为飞机提供飞行动能 。 从螺旋桨桨叶 ， 到风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片 ， 航空发动机叶片历经多次更新迭代 ， 变得质量更轻、强度更高、更耐高温 。
叶片制造工艺每一次革新进步 ， 都在推动着航空发动机性能不断跃升 。 看似小巧的身板 ， 承载着人类孜孜以求的飞天梦 ， 也是国家军事航空业发展壮大必须要迈过的一道门槛 。
成都航宇公司总工程师宋扬、空军某航修厂专业工程师侯廷红为您解读航空发动机叶片的奥秘——
小小叶片如何驱动战机飞行
■邓杰文 罗 娟
战机|空军工程师解秘：航空发动机小小叶片如何驱动战机飞行？
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航修厂技术人员采用激光增材技术修复叶片 。 罗九龙摄
小身板能量大 ，处处尽显科技范
现代战机多采用涡扇发动机 。 涡扇发动机前端的风扇吸入空气后 ， 一部分空气进入发动机核心（也称内涵道） ， 与燃料混合燃烧后排出；另一部分空气进入环绕发动机核心的外涵道 ， 不进行燃烧 ， 从涡轮发动机外壳向外喷出 ， 形成推动飞机飞行的动能 。
打开整流罩外壳 ， 观察发动机内部 ， 我们发现发动机叶片竟如此普通：不仅长相一般 ， 身材也略显矮小 。 从前至后 ， 一排排风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片错落排列 。 叶片排数与级数相同 ， 排数越多、级数越大 。
风扇叶片是三兄弟中的高个子 ， 位于军用涡扇发动机最前端 。 为了适应超音速飞行 ， 战机正面风阻面积不宜过大 ， 风扇叶片尺寸设计有一定限制 。 因此 ， 军用涡扇发动机风扇通常有多级叶片 ， 确保产生足够大的推力 。
此外 ， 风扇叶片的外形和内部结构 ， 也是影响风扇对空气做功效率的重要因素 。 风扇叶片经历了窄弦实心叶片、宽弦空心叶片、复合材料叶片和整体叶盘的发展历程 。 由英国罗尔斯罗伊斯公司研发的EJ200涡扇发动机 ， 采用了整体叶盘结构 。
与传统分体式叶片和轮盘相比 ， 整体叶盘将叶片和轮盘设计省去了传统连接所需的榫头、榫槽和锁紧装置 ， 减少了零件数量 ， 简化了发动机结构 ， 同时采用新的宽弦、弯掠叶片和窄流道 ， 进一步提高了气动效率 。
【战机|空军工程师解秘：航空发动机小小叶片如何驱动战机飞行？】空气经过风扇初步压缩后 ， 进入压气机继续加温加压 。 压气机叶片在三兄弟中最为纤细 。 叶片经过精密锻造、磨削抛光、表面强化等技术加工 ， 被制成实心结构 。 为了获得更高的增压比、产生更大推力 ， 空气通常需要经过多级压气机叶片压缩 。
在EJ200发动机上 ， 五级高压压气机转子采用整体叶盘结构 。 这一设计使压气机转子结构进一步简化 ， 发动机重量减少30%以上 。
压气机形成的高温高压气体与燃料混合 ， 燃烧生成高温高压燃气 ， 推动涡轮转动做功 。 涡轮叶片在三兄弟中堪称八面玲珑 ， 面对高温、高压、腐蚀、磨损和复杂载荷等各种恶劣工况仍能应对自如 ， 而这一切都与它的硬核设计密不可分 。
涡扇发动机的涡轮前温度非常高 。 如今 ， 大多数涡轮叶片材料使用耐高温性强的镍基单晶高温合金 。 除了单晶高温合金 ， 涡轮叶片上还应用了气冷空心结构和陶瓷热障涂层 ， 既为叶片外部披上防护服 ， 更在其内部装上天然空调 ， 叶片的高温防护能力明显增强 。 各项新材料、新技术、新工艺不断投入应用 ， 使得叶片小小的身板里满满都是科技范 。


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