宁动柴油机配件-喷气发动机的发展历程：从起源到喷气发动机涡轮叶片的演变叶片发动机原理

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喷气涡轮发动机

在我们详细了解喷气发动机涡轮叶片的发展之前，我们必须首先了解一下这一切是从哪里开始的，又是如何开始的？

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飞行的推力，还为飞机的许多其他系统提供燃料。喷气发动机根据牛顿第三运动定律运行飞机发动机叶片的作用，该定律指出，对于作用于物体的每个力，都有一个大小相等、方向相反的力。喷气发动机的工作原理是吸入飞机飞行时经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出所产生的气体，推动飞机前进，带您到达您最喜欢的度假目的地或计划中的商务旅行。

我们将回顾喷气发动机的历史、起源以及喷气发动机涡轮叶片的发展。

喷气发动机涡轮叶片的历史

你可以追溯到公元前 150 年英雄亚历山大发明的埃及蒸汽旋转球。1230 年代的中国火箭技术，列奥纳多·达·芬奇的烤肉架（杰克），意大利工程师为冲压厂设计的脉冲式涡轮机。别忘了伯努利原理也可以直接从牛顿第二运动定律推导出来。虽然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，它才在战火中被推向新的高度，这加速了航空业的崛起，而喷气涡轮机的发展与叶片的发展直接相关。

喷气发动机的突破和历史的创造者

瑞士工程师 Buchi 于 1910 年申请了涡轮增压器的专利，但该装置在法国的飞行测试中失败了。当时，通用电气 (GE) 主要专注于制造涡轮机和其他发电厂设备，但 1917 年 11 月，美国政府希望开发自己的涡轮增压器，并邀请该公司帮助开发该装置飞机发动机叶片的作用，供美国军方使用。

通用电气公司的燃气轮机工程师莫斯负责这次秘密任务。

莫斯制造了一个涡轮增压器，利用发动机热排气的惯性动量来转动他设计的涡轮室内的涡轮船舶配件，并挤压进入发动机的空气，使其密度与地面附近的空气相同，帮助飞机恢复失去的动力。

1930 年，英国皇家空军中尉弗兰克爵士申请了喷气推进燃气涡轮机专利，这是一项重大突破。他的发动机将单级离心压缩机与单级涡轮机结合在一起，并于 1937 年 4 月成功进行了台架试验，为现代喷气涡轮发动机奠定了基础。

与此同时，在德国，汉斯·冯·奥海因（Hans von Ohain）在哥廷根大学攻读博士学位期间，于1933年提出了喷气推进理论。冯·奥海因和马克斯·哈恩博士分别于1936年和1939年8月27日获得了喷气推进发动机的专利，标志着德国历史上首次完全由喷气发动机驱动的飞行。

该飞机使用离心式压缩机产生 1,100 磅推力，推动 HE-178 喷气式试验飞机达到 400 英里/小时（643 公里/小时）的速度。发动机开发后不久，一种更先进的涡轮发动机被生产出来，它使用轴流压缩机，可以将速度提高到 500 英里/小时（805 公里/小时）。1942 年，德国科学家弗朗兹博士开发了轴流涡轮喷气发动机 JUMO 004，并将其用于著名的梅塞施密特 Me 262（ME 262），这是世界上第一架真正的喷气式战斗机。

德国首次全喷气式飞机飞行

1939 年船舶柴油机配件，航空部授予 Power Jets Ltd.（惠特尔所属公司）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 E28/39 型飞机上首次飞行。飞机在平飞中以 1,000 磅推力达到 370 英里/小时（595 公里/小时）的速度。惠特尔发动机取得成功后，英国迅速将原型机运送到美国的盟友手中，通用电气公司也立即开始生产仿制品。在此期间，一群被称为“Hush-Hush Boys”的通用电气工程师为发动机设计了新部件，对其进行了重新设计，测试了发动机，并交付了名为 IA 的绝密工作原型机，其推力为 1,300 磅！

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

美国和欧洲正处于喷气时代

一切都与树叶有关

喷气发动机与许多技术创新一样，从概念到设计再到实施需要时间，但两次世界大战使航空技术取得了进步。到第二次世界大战结束时，现代涡轮发动机的功能已经引入，包括叶片冷却、防冰和可变面积排气喷嘴。

1930 年，弗兰克·惠特尔爵士的原型完全由钢制成。钢具有良好的强度和表面硬度，但当您需要高温性能时，您需要寻找其他材料，因为钢的温度极限是 450-500°C。

弗兰克·惠特尔爵士

早期喷气发动机的一个关键限制因素是发动机热部件（燃烧室和涡轮）中可用材料的性能。对更好材料的需求促使人们对合金和制造技术进行了广泛的研究，从而产生了许多新材料和新方法，使现代燃气涡轮成为可能。

除了材料和合金方面的改进外，定向凝固 (DS) 和单晶 (SC) 生产方法的开发以及热障涂层的开发也取得了突破。下一篇 Jet Part 2 文章将深入讨论叶片开发中对高性能材料、创新设计和改进生产方法的追求。多年的发展和持续改进离不开测量。

制造和计量

制造和组装喷气发动机的零部件大约需要两年时间，而每个型号的设计和测试时间可能长达五年。在整个发动机制造过程中，零部件和组件都要经过尺寸精度、工艺可靠性和材料完整性测试。

自 1968 年以来， 一直致力于计量领域的创新，为制造业提供更好的测量解决方案。我们热衷于提供采用最新测量技术的解决方案，不同尺寸的涡轮叶片也不例外。它们的复杂曲线具有关键尺寸，必须在叶片上的多个位置进行测量，这限制了传统接触式测量系统的测量范围。典型的测量包括多个位置的叶片横截面，这也带来了非常特殊的挑战。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。

叶片测量

由于触针直径的限制，形状偏差和微小特征的缺陷无法检测。接触式探针在测量中充当机械过滤器，可以使结果看起来比实际更好或更差。

可以使用光学测量系统作为替代方案。在许多情况下，必须在反射表面上制备特殊粉末。此过程会给零件添加额外的材料，并导致评估小特征的结果不准确。此外，并非每种方法都能够检测到小半径，甚至测量难以看到的特征。

开发了 CORE 作为满足所有这些要求的光学测量系统。得益于其创新的探针系统，反射和抛光表面无需额外处理。测量点由直径为 35 μm 的小光斑捕获。借助该测量系统，即使是半径较小的组件也可以通过大点云进行详细测量，并且可以分析形状偏差和缺陷。

看看我们已经走了多远！

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，这些技术和结构始于提高速度的决心。看看我们在过去 6 年里取得了多大的进步。从 1939 年第一台 1100 磅推力的喷气发动机，到 20 世纪 50 年代推力 5,000 磅（22,000 N）的典型喷气发动机（德哈维兰 涡轮喷气发动机），再到 20 世纪 90 年代推力 115,000 磅（510,000 N）的喷气发动机（通用电气 GE90 涡轮风扇发动机），更不用说可靠性的提高（以每 100,000 飞行小时的故障率来衡量）。

再加上燃料消耗大大降低，到本世纪初，双引擎客机（ETOPS）可以进行常规跨大西洋飞行，而此前这需要多次加油。

如今，燃气轮机技术不断进步，新型发动机的燃油效率更高、噪音更低。空中客车 A380 客机上安装了有史以来最大的两台燃气轮机发动机——劳斯莱斯航空发动机和发动机联盟（通用电气和普惠的合资企业）GP 7200。这两台大型发动机每台都能产生 70,000 磅的推力。

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