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航空科普小知識:你知道航空發動機如何頂住“烤”驗嗎?

來源: 看航空 發布時間:2018-09-11 23:37 點擊:

這個夏天,除了傳統的“火爐”城市,我國各個地區都出現了大范圍的高溫悶熱天氣。高溫肆虐之下,人們直呼:熱、熱、熱,只想與空調“長相廝守”。然而,這點熱對于咱們的航空發動機根本就不值一提。要知道發動機工作時,燃燒室內的最高溫度可是高達2000℃左右。那么,在如此難以形容的高溫下,航空發動機是如何頂住“烤”驗的呢?空調肯定是沒有啦,不過秘訣倒是有幾招。

第一招:修煉“金剛不壞之身”

眾所周知,航空發動機屬于熱機,其原理就是將熱能轉化成機械能,能承受的溫度越高,產生的推力就越大,發動機的性能也就越高。據研究,燃氣渦輪發動機的渦輪進口溫度每提高 100 ℃,發動機的推重比就能夠提高10%左右。

面對不斷攀升的溫度需求,修煉一副“金剛不壞之身”才是發動機安身立命的根本。在過去幾十年里,航空專家們一直在著力研制新型耐高溫材料,從鍛造合金發展到常規鑄造合金,再從定向凝固合金發展到單晶合金,發動機材料的使用溫度得到很大提升。

以渦輪葉片為例,20世紀50年代,高溫合金憑借較優異的高溫使用性能全面代替高溫不銹鋼,使渦輪葉片使用溫度有飛躍性的提高,達到了800 ℃水平。20世紀60年代,由于真空冶煉水平的提高和加工工藝的發展,鑄造高溫合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料。而后,定向凝固高溫合金通過控制結晶生長速度、使晶粒按主承力方向擇優生長,改善了合金的強度和塑性,提高了合金的熱疲勞性能,并且基本消除了垂直于主應力軸的橫向晶界,進一步減少了鑄造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷,使用溫度達到了 1000 ℃水平。

20世紀80年代,單晶合金渦輪葉片定向凝固技術的進一步發展,其耐溫能力、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固合金有了顯著提高,很多先進航空發動機都采用了單晶合金用作渦輪葉片。如今,單晶合金已發展到第五代,合金的承溫能力不斷提高。

第二招:挖空心思降“心火”

盡管高溫材料研究取得了很大成就,但還是無法滿足航空發動機性能發展對渦輪前溫度的要求。為了化解這個矛盾,發動機高溫部件開始引入冷卻系統,從設計、結構、工藝等方面挖空心思自我降溫。如高壓渦輪,由于渦輪進口壓力高,在級氣動負荷高、離心力負荷高、溫度高的情況下,通常會采用將壓氣機壓縮后的幾百攝氏度的“低”溫空氣引入內腔復雜冷卻結構的空心葉片。

在航空發動機領域,先后發展出了對流冷卻、沖擊式冷卻、氣膜冷卻、發散冷卻等方式。其中,對流冷卻是最簡單的冷卻方式,最大冷卻效果僅可達250℃左右;沖擊冷卻,又稱為噴射冷卻,作為對流冷卻的一個分支,效果卻高出好幾倍;氣膜冷卻是一種在被冷卻的空心渦輪葉片表面上通過小孔排氣的冷卻方式,是現代渦輪高溫部件冷卻的主要方法;發散冷卻又稱發汗冷卻,冷卻空氣從葉片內腔通過葉片壁面上無數微孔滲出,就像出汗一樣,是一種新的渦輪冷卻技術。而今,由對流、沖擊、氣膜三種冷卻方式相結合的復合冷卻,被廣泛應用于先進的航空發動機上。

但不論是哪種冷卻方式,它在改善渦輪葉片工作環境的同時,也使得渦輪葉片結構、工藝變得更加復雜。那些迷宮一樣的冷卻通道,在一定程度上就是降“心火”的關鍵。如果渦輪葉片的冷卻效果能夠多提高100℃,渦輪前溫度就能多提高100℃,從而使發動機的性能和推動比進一步提高。

第三招:套上“消防防火服”

面對上千攝氏度的高溫,赤膊上陣的“金剛不壞之身”也烤得讓人心疼。為了能讓發動機保持持久的戰斗力,置備一身“消防防火服”是非常有必要的。如在發動機最核心的渦輪盤、導向葉片和工作葉片的表面涂覆一層高溫防護涂層。

目前,航空高溫防護涂層的發展已經歷了四代,第一代鋁化物涂層、第二代改性鋁化物涂層、第三代MCrAlY包覆涂層與第四代熱障涂層等。作為第四代防護涂層的代表,熱障涂層是目前防護性能最佳、應用前景最好的表面防護涂層之一。熱障涂層是一層陶瓷涂層,它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面,對于基體材料起到隔熱作用,可以降低基體溫度,從而使渦輪葉片能在更高的溫度下運行。

高性能的熱障涂層,是英美發動機使用壽命遠超其他國家同類發動機的“不傳之秘”。有了高性能熱障涂層,以往壽命200到600小時的發動機,工作壽命可以延長2-3倍,工作溫度也能提高上百攝氏度。

在“沒有最高只有更高”的溫度追求下,航空發動機絕對稱得上是直面高溫的“勇士”。而這種無所畏懼的勇氣正是來源于所有熱愛航空發動機事業的人們,是他們用智慧和汗水、用生命和時間給予了發動機強壯的身體和可靠的保護。

責任編輯:途小二

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