航空发动机修理第七章新工艺新材料介绍

《 航空发动机结构与原理 》
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CFM56-3涡轮风扇发动机 牌号：CFM56 用途：军用/民用涡扇发动机 类型：双转子、轴流式、高涵道、分开排 气的涡轮风扇发动机 动力分配：风扇排气提供78%的推力，涡 轮排气提供22%的推理和提供和驱动 国家：美国、法国 厂商：通用电器（GE）、斯奈克玛 （snecma） 生产现状：生产
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英国的RB211、RB199发动机，法国M88发动 机也都采用了单晶叶片。TFE-731发 动机采用NASA IR100合金单晶叶片，工作温度提 高55℃，节约10%; JT9D单晶叶片寿 命为普通铸造叶片的5倍（定向叶片寿命为普通 铸造叶片的2.5倍）。原先用PWA1422定 向叶片，寿命2000小时，后改用PW1480单晶叶片， 寿命提高6000小时。
第七章 新工艺、新材料及应用介绍
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发动机故障最高的是热端部件。对于非加 力涡扇发动机，燃烧室故障点30.7%、高低压涡 轮占30.5%、风扇及压气机占13.5%、扩压器占 11.7%、燃油系统占3.1%、轴承及润滑占3.3%、 附属系统占3.1%、其余占4.1%
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第二节 新工艺
发动机零件的高容热强度、高机械-疲劳 强度、材料的难加工性、高的制造精度要求以 及高耐腐蚀性等等。都决定了必须采用最负责 和非常规的工艺手段，才能制造加工出所需的 零件。从而在整个机械制造工艺的诸多领域内 决定着工艺进步的水平。
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用高度合金化的IN100合金粉末和超塑性锻造成型 工艺制造的涡轮盘已在Fl00发动机上应用。
2、定向凝固合金
发达国家非常重视定向凝固技术的发展。美国已 建成了计算机控制的定向叶片和单晶叶片生产线，每 20s浇注一个铸型，叶片制造掏期为90s，年产9万片， 相当于4000台发动机的用量。采用此叶片的JT90D发 动机采用DSMAP-M002定向叶片，寿命延长两倍，其 新设计的高压空心叶片工作寿命达10000小时以上。 表7-1列出定向凝固叶片在航空发动机中的应用实例。 几种发动机应用定向叶片后获得明显效益，
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二、高强度钛合金 钛合金已在高涵道比、高增压比、高涡轮前温 度的涡扇发动机得到广泛应用。CF6发动机用钛合 金量达27%，TF39的用钛量达32%，前苏联HK-8 用钛量达50%．主要使用的钛合金．Ti-6Al-4V： Ti-8Al-1Mo-lV和Ti-5Al-2. 5Sn等。
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1969年法国政府针对国际民用航空市场形势提出 了研究10t推力级涡扇发动机的课题，法国SNECMA公 司经过分析和调查，1971年底选择了美国GE公司作为 合作伙伴，以美国F101军用涡扇发动机的核心机为基 础发展满足80年代飞机低油耗、低噪声、低污染要求 的发动机。1971年11月两家公司决定联合研制 10000daN级的大涵道比的发动机。 CFM56从1971年两家公司签订合作协议开始到取 证时为止，扣除中间停顿1年半时间，共耗时7年，发 展费用花了10亿美元。该发动机自1979年3月被选定 改装麦克唐纳·道格拉斯公司的DC-8飞机，至1986年 共改装了110架飞机(每架4台)。
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现代涡扇，通常风扇都在 发动机的最前端。民航机或任 何亚音速的飞机通常只有一级 风扇。风扇后接着是低压涡轮 压气机，然后是高压压气机。 无论是高压还是低压，压气机 的级数因个别设计而异。低压 从小型涡轮的一级到大型民航 机的九级不等。高压从小型的 一级离心式到大型的17级不等 的轴向式。
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l、变形高温合金广泛采用。 目前，航空发动机燃烧室、涡轮盘和叶片仍 大量采用变形合金来制造。典型合金有： HA188、 Hastelloyx、Waspaloy、Incoloy901、INCONE718、 Udimet70、Nimonic115 220等。我国有GH22、 GH33、GH169、GH220、GH118、GH128等，可供选 用。
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பைடு நூலகம்
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新式的涡扇都是三轴的，一轴从另一轴间穿 过。由不同级的涡轮以不同的速度驱动。现代涡 扇发动机的压比大的可达40以上（GE90系列， Trent 900，1000）。压比越大效率越高越省油。 也有涡扇把风扇安装在后面。比如GE的CF700， 虽然简化了发动机的构造，但是结果令人失望。
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三、适应于高性能发动机的新材料 l、高性能发动机所要求的材料。 为了实现推力提高一倍的先进发动机，将开发 先进的三维气动设计，新的高温轻质材料和前所未 有的新结构件。对材料有着非常苛刻的要求。
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①冷端（风扇、压气机）由当前水平的Ti （425℃)、Ni (647℃)发展到647℃—981℃，2— 3倍比强度，主要新材料有Ti-Al复合材料、Ti复合 材料、玻璃复合材料、高温A1。 ②热端（燃烧室、涡轮、加力燃烧室、喷管）由 当前水平的Ni、Co (1036℃)发展到1480℃，无冷 却的1647℃—2203℃，3—5倍比强度，主要新材 料为陶瓷、C-C复合材料、先进铝化物复合材料、 难熔金属。
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②聚合物基复合材料 采用能在425℃下具有热氧化稳定性的新复合 材料。 a、树脂，纤维相互作用对复合材料稳定性和 高温性能有益： b、抗氧化涂层： 、 c、具有良好的加工性和优良的热氧化稳定性 的新聚合物。
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3、金属基，金属间化合物基复合材料(MMC/IMC) MMC的耐温能力显著优于金属，连续纤维增强， MMC能提高强度，刚度和耐温能力。已有两类高刚 度材料，一是Sicrn金属复合材料，另一是T-Al化合 物，密度低，在900℃左右能保持高温强度和耐氧化 能力。钛基复合材料替代钛合金可使压气机减重 10%~20%，可用于转子叶片、静止导向器、机匣和 转子盘。
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CFM56-2-B1 军方编号F108-CF-100用于换装美 国空军的波音KC-135R加油机和法国空军的C135ER。 CFM56-2A2 军方编号F108-CF-402，用于装备 美国海军的波音E-6A和E-8A CFM56-5A 为空中客车A320发展的发动机。为同 IAE的V2500竞争，设计了新的36个叶片的风扇和 新的4.5级低压涡轮。同CFM56-2相比，耗油率降 低了13～15%，可靠性提高了30～40%。
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4、陶瓷基复合材料(CMC) 使用温度高达1647℃，具有象合金那样的变形 特性。新近研究的S1C/RB-SN（反应烧结碳化硅）表 明硅基复合材料在高于1400℃甚至氧化环境中短时 间工作仍具有一定的强度和韧性。这是研究性能稳 定的小直径SiC纤维、耐氧化纤维涂层和保持硅基体 环境及机械性能稳定的方法。 结构陶瓷氮化硅和碳化硅分别在1400℃和1600℃ 时仍具有高的强度和刚度，但较脆。连续性增强的 增强陶瓷可应用于涡轮部件，特别是小发动机的陶 瓷叶片、涡轮外环和空气轴承。
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连续纤维增强的玻璃陶瓷基复合材料有下列 优点：密度低，仅为具有同等耐温能力之金属的1/3; 比特性高；膨胀率低；易于用热压法生产。 'SiC/Pyfex可用于压气机叶片、静止导向器、机匣、 尾喷管和整流罩。增强玻璃陶瓷复合材料，可考虑 用于涡轮叶片、机匣、加力系统及尾喷管。 C-C是一种高比强度、高比刚度、低密度复合 材料。在惰性气氛中工作温度可达2000℃，可用于 加力系统。
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3，单晶合金 单晶合金在延长发动机涡轮叶片寿命方面 具有明显作用，目前先进发动机广泛采用了单晶 叶片。 制取单晶高温合金以正常凝固法中的定向 凝固法应用最为广泛和最有效. 固- 液界面前沿 液相中的温度梯度GL 和晶体生长速度R 是定向 凝固技术的重要工艺参数,GL/ R 值是控制晶体 长大形态的重要判据.,定向凝固技术制取的铸件 的晶体取向都是金属的择优方向. 随着科学技术 的进步,越来越多的应用领域要求单晶的晶体取 向为其择优方向. 《 航空发动机结构与原理 》
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多年来，JT8D发动机起飞推力的增大拓宽了 飞机的飞行包线、缩短了起飞距离、提高了爬升速 度、减少了机场周围的噪音污染。 为了提高它的燃油效率，普惠公司制定了一系 列能降低其燃油消耗量的方，使得JT8D发动机的 燃油效率得到了明显的提高。普惠JT8D发动机是 双转子的轴流式燃气涡轮发动机。为了确保进气量 它采用了一个贯穿其全长的外涵道
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2、发动机高温新材料 先进高温材料适应高速运输机巡航Ma=2—3、 超高速、超高涵道比发动机和大型高效亚音速运输 机，以及支线旋翼飞机。 ①高温纤维 现有SiC和Al203纤维在760℃温度下拉伸温度分 别为500Ksi和200Ksi，强度较低。而增强纤维的 金属基复合材料在同等温度下需有高于1700Ksi以 上的拉伸强度，且还必须与基体有良好的化学和热 膨胀匹配性。
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高性能军用涡扇发动机如：AJT-31由、Fl00、 F404、Fll0以及民用发动机PW2037等的用钛量 高达38%，并采用粉末冶金零件，钛合金等温模 锻、钛合金精铸件，整个风扇及低压压气机都是 钛结构，热端的轴承壳体、尾喷管中的一些零部 件也使用钛合金，共有130多个Ti-6Al-4V精铸零 件。
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③轴承、润滑应达到近814℃，主要应采用 810℃以上的固体润滑剂，425℃液体润滑剂、 陶瓷轴承。
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到2005年，压气机将采用全复合材料，耐982℃ 铝化钛金属基复合材料；燃烧室采用Ti金属基复合材 料机匣，非金属材料火焰筒；涡轮采用耐1538℃冷却 非金属，耐1649℃无冷却非金属，耐1371℃金属间化 合物了：喷管采用全复合材料，耐1538℃以上陶瓷基 复合材料和C-C材料，耐982℃铝化钛陶瓷基复合材料： 机械装置将采用耐温至。427℃液体润滑油，先进部 件材料。
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①TF30发动机涡轮前温度从1137℃提高到1240℃； Fl00发动机从1316℃提高到1370℃；J79D从1204℃ 提高到1315℃：RB211提高了40℃；CF6-50提高了 55℃。 ②F604寿命由2000小时延长到3000小时；HK12 寿命延长约一倍。 ③Arriel发动机轴功率从480提高到520KW; TFE731涡轮叶片总成本下降40%;维修成本降低了 75%。 我国定向凝固合金叶片已研制成功，其合金牌号为 D222和D24。
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航空发动机发展水平，或者说航空工业的总 体水平，其关键在于气动热力学、轻结构设计、 高压比压缩系统、高温燃烧室和涡轮、低信号多 功能喷管、试验技术、电子控制系统和耐高温轻 质复合材料及耐高温涂层。
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第一节 新材料
航空工业的发展，航空发动机的进步，材料 则是重点之一。将研究和广泛使用当前发动机还 尚未使用过的先进聚合物基复合材料(PMC)、金 属基复合材料(MMC/IMC)、陶瓷基复合材料 (CMC)及碳·碳复合材料(C-C)等高比强度、高 比刚度耐高温复合材料。涡轮前温度将接近油气 最佳混合燃烧温度（约2500K）。