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航发科普丨航空发动机是如何连接的?

来源: 发布时间:2025年03月26日

  在莱特兄弟“飞行者一号”的活塞发动机上,承载人类首次动力飞行的钢制铆钉和简易螺栓不过数十颗。而今天,一台现代航空发动机上就要装用数万颗精密紧固件,涵盖铆钉类、螺栓螺钉类、螺母类、单面紧固件类、特种紧固件类、管路件连接件类等许多种。

  这些平均重量不到10克的紧固件,如同航空发动机的“钢铁关节”,将压气机、涡轮、燃烧室等核心部件连接成可靠整体。为了满足发动机内部严苛环境和特殊结构的使用要求,一些航空发动机的“关节”以其特殊的结构和材料,练就了一身绝技,让我们一起走进这些微型构件——

  高温熔炉中的“耐热战士”

  在发动机最炽热的燃烧室与涡轮区域,温度超过1600℃,相当于岩浆喷发时的温度,普通钢材在这里和酷暑中的冰淇淋相差无几。

  为了适应环境,有的螺栓采用了特种高温合金,用镍、钴、钼等元素注入“耐热基因”;有的螺栓表面镀着特殊的陶瓷涂层,就像给钢铁披上了“隔热斗篷”;还有一些螺栓内部暗藏微型通道,引入冷却气流降温,如同给螺栓装上了“空调系统”。这些螺栓的螺纹大多采用锯齿状设计,确保在高温炙烤的环境下仍能保持强度和紧固性。

  旋转风暴里的“平衡大师”

  在发动机高速旋转的压气机、风扇区域,一些连接点承受的离心力相当于叶片自重的几万倍,这里的螺栓既肩负相当悬挂数辆小汽车的重担,又经受着高频气流的拉扯。为了减少旋转带来的惯性负荷,此处的螺栓大多采用轻量化设计。

  选用高强度、低重量的钛合金材料或复合材料作为基体,让紧固件可以轻松承受巨大的载荷和复杂的应力状态。在强度允许的情况下,一些螺栓会通过加工减重槽和空心设计的方式进一步减重。

  为了在旋转风暴的反复拉伸中保持不裂不断,有的螺栓根部会采用圆角设计圆滑过渡,有的表面经过喷丸强化处理形成压力层,有的还采用了特殊的渐开线螺纹,如同给每个螺栓装上隐形弹簧,既确保紧固又留有微小的弹性空间,即使在高速转动的环境下也能保持稳定。

高频振动下的“防松专家”

  在发动机的进气道、机匣等区域,由于轮盘旋转和高温高压气体等因素的影响,螺栓需长期承受上千赫兹的高频振动和冲击,传统螺栓在长期振动中容易松动甚至脱落。

  螺栓拧紧顺序是有明确要求的,不能绕圈一个一个拧,必须按对角线十字交叉拧紧。每颗螺栓更是要严格按规定的力矩拧紧,有的还需要拧紧后再松开几圈,最后再按规定的力矩拧紧。这主要是释放应力,确保航空发动机长时间工作时不会有零件松动。

  不仅如此,为了防止螺纹副在振动中相对滑动,提高紧固件的疲劳寿命,一些螺栓借助了弹性元件的力量,在嵌入金属环或碟形弹簧后,当螺栓拧紧时,弹性元件被压缩变形,产生持续的反弹力。这种反弹力像“橡皮筋”一样,始终将螺纹副压紧。或是通过加强配合,采用机械锁扣设计,在螺栓或螺母的螺纹上加工出局部变形,拧紧时变形部分与配合螺纹咬合,形成机械锁扣,使其有效应对剧烈振动。

  当“战鹰”划破云层、翱翔蓝天时,请不要忘记——在轰鸣的发动机内部,有这样一群小而坚固的“关节”,它们沉默低调,却用毫米级的精密配合在高温、高转速、高振动的极端环境中编织起一张无形的安全之网,护航每一次平稳起飞与安全降落。