航空發動機四大核心，大多數人只知道一個核心葉片，卻不知另3個

2020-08-23 航空航天君

航空作為工業革命的產物，風光大起，航空發動機更是被譽為「工業的皇冠」。都知道航空發動機是航空的核心，葉片是航空發動機的核心，但航空發動機的核心絕對不止是葉片。

航空發動機核心機細節圖

在航空航天君幾年的工作與科研中越發的認識到，我們將發動機發展滯後完全歸結與葉片只是一小部分原因，但不完全正確的，因為航空發動機的核心零件有很多，只要其中一類零件性能上不來，航空發動機整體性能都會被拉低。

老調長談，葉片是核心因素，但不是唯一

舉個例子，航空發動機中的葉片就相當於汽車發動機中的活塞一樣，將能量傳遞給後續的部件，實現動力的傳輸。包括有風扇葉片、壓氣機葉片、低壓渦輪葉片和高壓渦輪葉片，這其中以高壓渦輪葉片的製造最為困難，承受溫度最高。

高壓葉片溫度分布

由於現在飛機有突破音速的需求，在風扇葉片中就產生了亞音速和跨音速兩種，兩種葉片的內側都是一樣的，但跨音速風扇的外側採用的是激波壓流。目前主要使用的風扇材料有鈦合金和碳纖維複合材料。通用（GE）在GE90、GEnx、LEAP-X中都是用的碳纖維復材，而羅羅（即常說的勞斯萊斯）採用的是空心鈦合金風扇葉片。

渦輪葉片

燃燒室排出的高壓氣流經過高壓葉片才能轉變為動力，最直接就是要求承受高溫，特別是葉片頭部，目前的商用航空發動機渦輪前溫度到達1300℃，經過高壓葉片溫度達到1500℃，某些領域溫度更高，所有的金屬材料都無法提供如此高的使用溫度。

連接件很關鍵，渦輪盤也是核心，盤葉一體化的發展趨勢

採用同樣的事例，渦輪盤就類似於汽油發動機或柴油發動機中連接活塞與曲軸的連杆，如果連杆上出現任何的裂紋，都會導致受力時斷裂，使其失去動力，嚴重的車毀人亡。對於飛機來說，帶來的就是機毀人亡和數億財產的損失。

汽油機中的活塞連杆機構

渦輪盤套在渦輪軸上，渦輪盤圓周上插裝渦輪葉片，氣流通過渦輪葉片帶動渦輪軸轉動，提供動力。渦輪盤承載了整個發動機的核心動力，存在微小的裂紋都有可能造成飛行事故，輕微的使發動機空中停車，飛機可以通過滑翔迫降減小生命財產損失，嚴重的使渦輪盤破裂，高速的飛向前後渦輪，使發動機產生爆炸，這種情況時機毀人亡，絕無生還可能的。

高合4196高溫合金渦輪盤

目前在美俄英三大航空強國的帶動下，渦輪盤已經由原來的渦輪盤與葉片組裝型轉向為整體渦輪盤，即雙性能渦輪盤（處於較高溫度下工作的輪緣部位具有高的持久、蠕變強度，處在較低溫度下工作的輪轂部位具有高的屈服強度和低周疲勞性能的渦輪盤），葉片與渦輪盤一體化的。

雙性能渦輪盤

噴管很重要，關鍵時候可以挽救飛機

噴管對於航空航天的發動機都是至關重要的，在民用軍用中都有使用，波音公司就提出過一款通過控制尾噴來減小飛機起降滑行距離的概念機型，在軍用領域已經較為成熟，我們熟知的二次尾噴管、推力矢量尾噴管等等。

殲-10B的推力矢量尾噴管

尾噴管不僅要承受高溫，它還與空氣直接接觸，還有材料氧化問題等等。對於軍機而言可以降低起飛和著陸距離；超機動性和超機敏性；超聲速巡航；提高隱身性等都是優勢。對於民用運輸機, 採用推力矢量尾噴管可以增加飛行安全性和改善飛機性能。

F-35垂直起降

對於尾噴技術使用較為成熟的就是F-35戰鬥機，實現垂直起降，降低了對飛行甲板的要求，不僅提高了臨戰狀態時飛機升空的速度，還增大甲板的停機數量，可以說尾噴技術升級，是航空領域的又一次革新。

渦輪軸是航發的生命，高低速渦輪軸是又一核心

採用同樣的事例，渦輪軸就類似於汽油發動機或柴油發動機中的曲軸，如果曲軸上出現任何的裂紋，都會導致受力時斷裂，使其失去動力，嚴重的車毀人亡。對於飛機來說，帶來的就是機毀人亡和數億財產的損失。

柴油發動機中的曲軸

渦輪軸不同於普通曲軸，渦輪軸看起來只是簡單的一根金屬管，實際上肩負120000~160000rpm轉動及超高溫的精密零件，其精細的加工誤差、精深的材料運用和處理正是所有渦輪廠最為核心的技術。對於某些航空發動機來說，它還不止一根軸，由低壓渦輪軸和高壓渦輪軸嵌合使用，達到更高的性能，最典型的就是英國羅爾斯-羅伊斯的三轉子渦扇發動機，通過增加中間渦輪，降低對你材料溫度的要求，這也為我們發展航空發動機提供了新思路。

航空發動機核心機（紅色框為低壓渦輪軸，紫色為高壓渦輪軸）

總結

對於航空發動機來說，葉片、渦輪盤、渦輪軸以及尾噴管都是核心部件，當某一個核心部件技術不過關時，我們的其他技術再有優勢，都表現不出來，都發展不出來高性能的航空發動機，當各部件性能匹配時，才能使性能達到最佳的匹配。至於我們的航空發動機想要達到現在的發展水平，還有很長的路要走，還需要材料、設計、機械製造等多學科領域的共同努力。

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