喷气发动机安装在飞机的机翼上并装在引擎罩中,引擎罩是一个可以向外打开的外壳——这样便于检查和维修发动机。每台发动机(一架波音747飞机有4台发动机)上都有一个挂架,这是一个金属臂,用以将发动机和飞机的机翼连接起来(见图2)。电线和管道也装在挂架中,将发动机产生的电力和液压动力输送回飞机。
图2 飞机的机翼上装有一个喷气发动机。
大多数商用飞机装配的是涡扇发动机,它因具有高涵道流量比(即绕过压缩机的空气流量与通过压缩机的空气流量之差)的特性而运行效率最高。高涵道比需要更大的风扇用于输入空气,但更大的风扇意味着更大的重量和更低的效率。由此设计师们开始使用复合材料来减轻喷气发动机的重量。
发动机部件必须非常坚固,重量轻、耐腐蚀、热稳定性好(能够承受高温或低温)。因此,一些特定的材料已经被开发出来,用于满足上述这些特性。钛往往被用于制造最关键的发动机部件。虽然它很难被塑形,但是它极高的硬度和熔点使它在高温下也很坚固。为了改善它的可塑性,钛经常和其他轻金属混合在一起使用,比如镍和铝。
发动机前部进气风扇采用钛合金材料,中间压缩机采用铝合金材料。燃烧室和靠近燃烧室的高温高压段的部分由镍钛合金构成,而涡轮叶片必须承受发动机最大的高温,由镍钛铝合金构成。排气系统的内部管道是由钛制成的,而外部排气管道是由凯夫拉纤维制成的,凯夫拉纤维是一种强度高、重量轻的合成材料。推力反向器由钛合金组成。
在全功率状态下,喷气发动机每秒可以吸入超过一吨的空气。
自20世纪90年代中期以来,制造商一直在增加喷气发动机中复合材料的使用比例,即拥有两种或两种以上具有不同化学性能的材料合成的材料。引擎罩、外壳、风管、柔性连接臂、风扇罩,甚至一些发动机的风扇叶片都使用复合材料。复合材料占一些发动机重量的10%~35%。
波音(Boeing)787梦想飞机(787Dreamliner)上安装的是罗尔斯·罗伊斯(Rolls-Royce)公司的Trent1000涡扇发动机,它包含3万个部件,可制造和装配这台发动机仅需20天。
设计和测试每一种型号的喷气发动机可能需要长达五年的时间。构建所有组件大约需要两年时间。供应商制造零部件的各个部分,并交付给喷气发动机制造商;然后组装在一起形成整个引擎。光是组装就需要一到三个星期。
通用航空公司为GE90发动机制造的涡扇叶片采用复合碳纤维材料,而不是钛,但大多数发动机仍然使用钛叶片。
发动机一般被安装在飞机的尾部,型架前端和水平机翼垂直的地方,便于操作者进行维护工作。
风扇叶片
1.每个风扇叶片位于发动机前部,由熔融钛热压成型制作两瓣叶片外皮(见图3)。取出后,将这两瓣叶片外皮焊接在一起,在中心留下一个空心腔。为了增加最终产品的强度,在腔内填充了蜂窝钛。
图3 风机叶片是将熔融的钛在热压机上成形,将两瓣叶片外皮焊接在一起,再用蜂窝钛填充空心腔而成。
压缩机盘
2.压缩机盘是压缩机叶片附着的固体核心,类似于一个大的、有缺口的轮子。制造圆盘的过程利用了粉末冶金学,即将熔化的金属倒入快速旋转的转盘上将其打碎成数百万微小的液滴。离开转盘时,液滴由于温度迅速下降(从大约1200℃,在0.5秒时间内迅速下降)而固化,并形成一个高纯度、极细的金属粉末。
3.接下来,将粉末真空包装在一个容器里并在高压下密封和加热。通过加热和加压将金属微粒熔合成一个圆盘。然后在一台大型切割机上对圆盘进行加工成形,并用螺栓将风扇叶片固定在其上。
压缩机叶片