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  2. 航空發(fā)動機(jī)難造全因?yàn)椴牧喜恍??還真不是
    2025-01-24 16:03:52 作者:金屬加工 來源:金屬加工 分享至:

     相信很多關(guān)心航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的金粉們都聽過這樣一個斷言:航空發(fā)動機(jī)不好是因?yàn)椴牧喜恍?。材料是問題之一,但難題是多方面的。一臺民用發(fā)動機(jī)需要無故障地、穩(wěn)定地工作3萬小時,在工作過程中,一方面轉(zhuǎn)速極高(每分鐘約15000轉(zhuǎn)),需要承擔(dān)葉片本身重量1萬倍的離心力;另一方面,燃燒室溫度達(dá)到1800K以上,與之對照,目前熔點(diǎn)最高的鎳基高溫合金初熔點(diǎn)不到1600K。


    今天,我們來盤點(diǎn)一下民用航空發(fā)動機(jī)制造的四個難點(diǎn)。


    ↓↓航空發(fā)動機(jī)爆炸圖↓↓

     

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    對安全性和可靠性要求極高


    在極端的工作條件下,民用航空發(fā)動機(jī)需要穩(wěn)定地工作3萬小時,預(yù)計(jì)未來要求能達(dá)到穩(wěn)定工作10萬小時以上。為了確保航發(fā)的安全和可靠,兩個實(shí)驗(yàn)必不可少——拋鳥實(shí)驗(yàn)、吞冰實(shí)驗(yàn)。


    ↓↓拋鳥實(shí)驗(yàn)↓↓

     

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    美國2009年哈德遜河迫降是航空史上有名的事件,當(dāng)時飛機(jī)出故障的原因,正是在紐約機(jī)場起飛一分鐘后兩個引擎均受鳥撞擊而失去動力,最后不得不迫降在哈德遜河。


    ↓↓吞冰實(shí)驗(yàn)↓↓

     

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    每分鐘15000轉(zhuǎn),承受巨大離心力


    發(fā)動機(jī)葉片每分鐘轉(zhuǎn)速大約在15000~16000rpm之間,此時,轉(zhuǎn)動葉片的離心力相當(dāng)于葉片重量的10000倍。更為直觀地說,航空發(fā)動機(jī)1個葉片榫頭(工作葉片和渦輪盤相連的部分)所承受的離心力高達(dá)約150kN,大約15噸。


    燃燒室溫度1800K以上,超過高溫合金熔點(diǎn)


    ↓↓航發(fā)各部分金屬材料分布↓↓

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    民機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒室的溫度達(dá)到1800~1900K,鎳基高溫合金的初熔點(diǎn)大概也就在1300℃左右,也不到1600K。


    ↓↓鎳基高溫合金在高溫下比強(qiáng)度較其他金屬更高↓↓

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    發(fā)動機(jī)葉片的工作溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了合金的熔點(diǎn),為解決這個問題,可以采取幾大技術(shù)。


    1、冷卻


    早期葉片多為實(shí)心,隨著鑄造技術(shù)的進(jìn)步,葉片發(fā)展為定向(單晶)空心無余量葉片??招臍饫淙~片的出現(xiàn),在降低葉片重量的同時,可讓冷空氣可進(jìn)入腔內(nèi)冷卻。


    上文提到單晶葉片,在此不妨稍微離題,介紹下國內(nèi)單晶葉片的生產(chǎn)水平。單晶葉片是航發(fā)零件中生產(chǎn)工序多(40~60道工序)、周期長、合格率低的一種零件,其生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備包括熱處理爐和單晶爐。一級航空熱處理爐在生產(chǎn)葉片時爐內(nèi)溫度在1330℃,爐內(nèi)任意兩點(diǎn)溫度差處于正負(fù)3℃范圍內(nèi),這種熱處理爐國內(nèi)尚無法生產(chǎn),單晶爐的供應(yīng)面臨著類似狀況。根據(jù)《經(jīng)濟(jì)半小時》報(bào)道,2015年,成都航宇成功突破技術(shù)難關(guān),成為國內(nèi)首家單晶錸合金葉片達(dá)到量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)。


    ↓↓單晶鑄造渦輪葉片的微觀結(jié)構(gòu)↓↓

     

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    2、繼續(xù)提高合金承溫能力


    ↓↓渦輪葉片的成形工藝和晶相結(jié)構(gòu)↓↓

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    3、熱障涂層(Thermal Barrier Coating)


    熱障涂層本質(zhì)是一層陶瓷涂層,此概念于上世紀(jì)50年代提出,80年代技術(shù)取得重大突破。


    熱障涂沉積在耐高溫金屬或超合金的表面,對于基底材料起到隔熱作用,降低基底溫度,使得用其制成的器件(如發(fā)動機(jī)渦輪葉片) 能在高溫下運(yùn)行,并且可以提高器件(發(fā)動機(jī)等)熱效率達(dá)到60%以上。


    17級風(fēng)速下,火焰還需穩(wěn)定燃燒


    ↓↓渦扇發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)氣流控制↓↓

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