温泽测量 『技术专栏』关于叶片系列一:喷气涡轮发动机的前世今生

国际金属加工网 2021年09月10日

ALL ABOUT BLADES PART 1

喷气涡轮

发动机

JET TURBINE ENGINES

在我们详细介绍喷气发动机涡轮叶片的发展之前,我们必须先看看这一切是从哪里开始的,又是如何开始的?

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2021年全球喷气发动机是当今喷气式飞机的动力装置,它不仅产生推动飞机的推力,还为飞机的许多其他系统提供燃料的动力。喷气发动机根据牛顿第三运动定律运行,该定律指出,作用在身体上的每一个力都会产生一个相等且相反的力。喷气发动机的工作原理是吸入飞机运动所穿过的部分空气并压缩,然后将其与燃料结合并加热,最后以巨大的力量喷射出产生的气体,使飞机向前推进,带您前往您最喜欢的度假目的地或计划的商务旅行。

我们将回顾喷气发动机的历史,了解它的起源以及喷气发动机涡轮叶片的发展历程

喷气发动机涡轮叶片的历史

您可以追溯到公元前 150 年由英雄亚历山大发明的埃及汽转球。1230年代的中国火箭技术,达芬奇的旋转式烤肉机(Chimney Jack),意大利工程师 Giovanni Branca 为冲压厂设计的脉冲涡轮机。不要忘了伯努利定律也可以直接从牛顿第二运动定律衍生出来,尽管所有这些确实对喷气涡轮机产生了影响,但直到第一次世界大战,它才在战火的洗礼中被提升到一个新的水平,它加速了航空业的兴起和与叶片发展直接相关的喷气涡轮机的发展。

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喷气发动机的突破和历史缔造者

瑞士工程师 Alfred Buchi 于 1910 年申请了涡轮增压机专利,但该设备在法国的飞行测试中失败了。当时的通用电气 (GE) 主要专注于为发电厂制造涡轮机及其他设备,但在 1917 年 11 月,美国政府希望开发自己的涡轮增压机,并邀请该公司帮助开发该设备以供美国军队使用。

GE 燃气轮机工程师 Sanford Moss 负责了这项秘密任务。

Moss制造了一个涡轮增压机,利用发动机排出的热废气惯性冲力来推动他设计的涡轮室内的涡轮,并挤压进入引擎的空气,使其密度与接近地面的空气一样,并帮助飞机恢复失去的动力。

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这一突破发生在 1930 年,当时英国皇家空军中尉爵士 Frank Whittle 提交了一项喷气式推进燃气轮机专利。他的发动机将单级离心式压缩机与单级涡轮相连,并于 1937 年 4 月成功进行了台架测试,这为现代喷气涡轮发动机奠定了基础。

与此同时,在德国还未分裂时,Hans von Ohain 在哥廷根大学攻读博士学位期间,于 1933 年制定了他的喷气推进理论。Von Ohain 和 Max Hahn 博士分别于 1936 年和 1939 年 8 月 27 日获得了喷气推进发动机的专利,这是德国历史上第一次完全由喷气式发动机驱动的飞行。

这架飞机产生了 1100 磅的推力,并推动 HE-178 喷气式试验机达到 400 英里/小时(643 公里/小时)的速度,该发动机使用离心式压缩机。发动机开发后不久,就产生了更先进的涡轮发动机,该发动机采用了轴流式压缩机,可将速度提高到 500 英里/小时(805 公里/小时)。1942 年,德国科学家 Franz Anslem 博士开发了轴流式涡轮喷气发动机,即Junkers JUMO 004,并用于著名的梅塞施密特Me262(Messerschmitt ME 262),这是世界上第一架投入实战的喷气式战斗机。

德国历史上第一次完全采用喷气动力飞行

1939 年,航空部授予 Power Jets Ltd.(惠特尔与之关联的公司)一份设计飞行发动机的合同。1941 年 5 月 15 日,惠特尔 W1 发动机在Gloster Model E28/39 型飞机上进行了首次飞行。这架飞机在水平飞行中以 1,000 磅的推力达到了 370 英里/小时(595 公里/小时)的速度。在使用惠特尔引擎取得成功后,英国人迅速将原型机运到了在美国的盟友手中,随后,GE公司立即开始生产仿制品。在此期间,一组名为 Hush-Hush Boys 的 GE 工程师为发动机设计了新零件、进行了重新设计、测试了发动机,并交付了一架名为 I-A 的绝密工作原型机,其推力为 1,300 磅!

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1942 年 10 月 1 日,第一架美国喷气式飞机贝尔 XP-59A 从加利福尼亚的莫洛克干湖起飞。

美国和欧洲的喷气机时代正在全面展开

一切都与叶片有关

喷气式发动机和许多技术创新一样,从概念到设计再到执行都需要时间,但两次世界大战使航空技术得到了发展。到第二次世界大战结束时,引入了现代涡轮发动机的功能,包括叶片冷却、防冰和可变面积的排气喷嘴。

1930 年,弗兰克•惠特尔爵士(Sir Frank Whittle)的原型机完全由钢制成。钢的强度和表面硬度都很好,但当你需要耐高温性能时,你需要寻找别的材料,因为钢的极限温度是450–500℃。

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弗兰克•惠特尔爵士(Sir Frank Whittle)

早期喷气发动机的一个关键限制因素是发动机热段(燃烧室和涡轮)可用材料的性能。对更好材料的需求激发了合金和制造技术领域的大量研究,该研究产生了众多新材料和新方法,这使现代燃气轮机成为可能。

除了材料和合金的改进外,一个突破是定向凝固(DS)和单晶(SC)生产方法的发展以及热障涂层的发展。下期的 Jet Turbine Blades Part 2 文章将深入讨论在叶片开发中追求高性能材料、创新设计和改进的生产方法。多年的发展和持续改进离不开测量

制造和计量

建造和组装喷气发动机的部件大约需要两年时间,每个型号的设计和测试期可能需要长达五年的时间。在制造发动机的整个过程中,部件与装配件需接受尺寸精度、工艺可靠性和材料完整性方面的检测。

自 1968 年以来,温泽一直致力在计量方面的创新并为制造业提供更好的测量解决方案。我们热衷于提供具有最新测量技术的解决方案,不同尺寸的涡轮叶片也不例外。它们复杂的曲线具有关键的尺寸,所以必须在叶片的多个位置进行测量,这限制了传统的接触式测量系统的触及范围。典型的测量包括多个位置的叶片横截面,这也具有非常特殊的挑战。这尤其影响前缘半径、后缘半径、根部形状以及冷却孔位置和尺寸的测量。(*在下期的文章中了解有关涡轮机和叶片功能的更多信息。)

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由于测针直径的限制,形状偏差和细小特征的缺陷是无法检测到的。接触式测头在测量中具有机械过滤器的作用,可以使结果看起来比实际情况更好或更差。

可以使用光学测量系统作为替代方案。在很多情况下,必须准备在反射面上涂上特殊粉末。此过程会为零件添加额外的材料,并导致评估细小特征的结果不准确。此外,并非每种方法都能够检测小半径,甚至测量难以查看的特征。

温泽开发了 CORE 作为满足所有这些要求的光学测量系统。由于它采用了创新的测头系统,因此无需为反射和抛光的表面做其它处理。测量点是用一个直径为35μm的小光点捕捉的。使用该测量系统,甚至可以通过大量点云详细测量细小半径的部件,并且可以分析形状偏差和缺陷。

看看我们走了多远!

喷气式涡轮叶片的发展,始于追求更快的决心,在接下来的两周内,我们将研究喷气涡轮叶片的技术和结构。看看我们在过去 6 年里走了多远。从1939年第一架1100磅推力的喷气式飞机,到20世纪50年代5,000磅推力(22,000 牛顿)(德哈维兰幽灵涡轮喷气发动机)的典型喷气式飞机发动机,再到90年代的115,000磅推力(510,000 牛顿)(通用电气GE90涡扇发动机),更不用说以发动机每飞行100,000小时发生的故障率来判定的可靠性方面的提升了。

再加上燃油消耗量大大降低,到本世纪初,双引擎客机(ETOPS)可以进行常规的跨大西洋飞行,而以前类似的飞行需要多次加油。

今天,燃气轮机技术不断发展,新型发动机提供更高的燃油效率和更低的噪音。有史以来最大的两台燃气涡轮发动机在空客 A380 上投入使用——劳斯莱斯Trent900航空发动机和发动机联盟(GE 和普惠合资的公司)GP 7200。这些巨大的引擎每个能产生70,000 磅的推力。

未来,看看燃气轮机发动机开发的下一阶段,这将是一件有趣的事情

在您最喜欢的平台上关注我们并加入我们的 All About Blades 系列,一段不容错过的旅程!我们的团队和外部专家将分享更多关于喷气涡轮叶片、生产中的几何形状和挑战以及质量保证的信息。我们期待与您分享有关叶片的所有信息,尤其是有关叶片功能讨论!

关于温泽

德国温泽集团是计量领域创新的先驱。温泽多样化的产品提供了三维测量、计算机断层扫描、光学高速扫描等多个行业的独特解决方案。温泽集团的技术解决方案在汽车、航空航天、发电及医疗等众多行业中有大量应用。温泽在全球范围内已交付安装超过10,000台测量设备。其子公司和业务伙伴在超过50个国家销售产品,并提供售后服务以满足客户需求。

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(温泽测量)

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