跟航空发动机学“减重瘦身”

GEnx复合材料风扇叶片。

整体叶盘和整体叶环减重。

ATP发动机。

陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用。

北方首轮高温来袭，炎炎夏日，减重瘦身成为热点话题。航空发动机也需要“减重瘦身”，但航空发动机的“减重瘦身”并不是为了追求美好线条，而是出于对更高性能的需要。

让航空发动机“减重瘦身”并不简单，对航空发动机的设计者来说，轻量化设计需要多个学科的综合改进。那么，航空发动机究竟要如何实现“减重瘦身”呢？

结构轻量化设计

航空发动机“减重瘦身”第一条攻略：结构轻量化，相当于对人体不同部位减重，对于发动机来说，就是在保证结构强度、安全性的前提下，尽可能降低其总质量。

民航运营使用的所有航空发动机结构中，轻量化设计最明显的是整体叶盘和整体叶环。整体叶盘结构替代了传统榫槽连接的独立结构，大大减轻结构重量。

在所有涡轮螺旋桨发动机中，“减肥”最成功的莫过于GE公司的ATP发动机。基于3D打印技术特点，ATP发动机中855个独立部件减少为12个，发动机减重5%。

材料轻量化设计

航空发动机“减重瘦身”第二条攻略：材料轻量化，相当于人的减脂增肌，这种方式依赖材料与技术的进步。

商用发动机中，风扇段质量占发动机总质量的30%～35%，降低风扇段质量是减重的关键手段。风扇叶片每减重1千克，风扇机匣和传动系统也相应减少1千克，同时发动机结构和飞机的机翼/机身结构也分别减重0.5千克。

风扇叶片减重。GE90发动机是最早采用复合材料风扇叶片的发动机，共采用了22片复合材料，风扇叶片的总质量为349千克，与钛合金空心叶片相比质量轻66%；之后的GEnx、LEAP发动机风扇叶片为18片，后者整体减重227千克。预计明年投入使用的GE9X仅有16片风扇叶片，使用的是第四代复合材料风扇叶片。

风扇包容机匣减重。CFM56系列发动机的包容风扇机匣使用的是17-4PH不锈钢材料，CF6-80C2发动机则使用薄壁金属机匣和多层芳纶织物的复合材料风扇机匣，比金属结构最大减重50%；GE90发动机是第一台采用全复合材料风扇机匣的发动机，实现重量大幅减轻；GEnx复合材料风扇机匣使每台发动机减重160千克；LEAP发动机的复合材料风扇机匣和铝相比减重30%。

即将在2020年投入使用的Advance发动机采用碳纤维复合材料叶片、机匣，与早期的遄达发动机相比，将减重680千克。

高压涡轮外环减重。陶瓷基复合材料用于发动机的热端部件，承受的工作温度要远高于高温合金材料。其密度仅为金属材料的1/3，因此能够实现减重，目前使用这种材料减重的零件是LEAP发动机上的涡轮外环，每台发动机有18个外环块，可以有效减少发动机重量。

其他热端部件减重。陶瓷基复合材料未来将在航空发动机领域大展拳脚。明年即将投入使用的GE9X发动机的燃烧室和高压涡轮部分将采用陶瓷基复合材料，其涡轮转子叶片能够实现叶片减重2/3。

航空发动机的“减重瘦身”与技术进步息息相关，随着设计、材料、制造技术的进一步发展，未来航空发动机一定还会有更多的“减重瘦身”秘籍，让我们拭目以待。

（中国航空报 张岩）

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