航空发动机的研发难点,主要有“第一:高低压涡轮叶片的制造,第二:涡轮盘的制造,第三:航空发动机整体的制造”。
第一:高低压涡轮叶片
在说明高低压涡轮叶片的制造难度之前,还得先看一下其工作环境,只有知道了高低压涡轮叶片的工作环境,才能够了解其制造的难度有多大。
众所周知,航空发动机是通过风扇的旋转来带动空气,进入燃烧室与燃料混合后,进行燃烧。燃烧之后的高温高压高速气流,就会直接被高压涡轮叶片的旋转而吸走。之后继续流向低压涡轮叶片,最后进入加力燃烧室再次燃烧,最终从尾喷管喷出,以上就是航空发动机的工作流程。
了解航空发动机的工作原理之后,就可以知道高压涡轮叶片是工作在超高温,超高压的环境中,且自身还在以1.3万转/分钟的高速进行旋转。
这么一来,高压涡轮叶片就必须要承受超过1000℃以上的温度(往往是1400℃~2000℃),20个大气~50个大气的压力,高达10吨~15吨离心力的作用。
高压涡轮叶片
既然高压涡轮叶片的工作环境如此恶劣,那么,为了对抗这样恶劣的工作环境。高压涡轮叶片就必须具备较强的“抗蠕变能力,耐高温能力,抗腐蚀能力,较长的使用寿命”等一系列性能。而让高压涡轮叶片,具备上述的性能,难度实在是太大了。
要说让高压涡轮叶片承受高温,高压,强离心力也不算很难。关键是,高压涡轮叶片不仅要承受上述的环境状况,还要在高温,高压,高转速的环境中,不能发生形变。
这难度就直接上去了,主要的原因是,金属基本上都具备延展性,当受到捶打,敲击,拉伸时,就会发生形变。而延展性,尤其是在高温条件下,表现的更为明显。
同理,高压涡轮叶片也是由金属制造的,虽然是很特殊的金属,但是也具备延展性。况且其还是工作在上千摄氏度的高度,强离心力的环境中。在这样的环境下,还要让高压涡轮叶片的形状保持不变,那真的是太难了。
所以说,也只有极其特殊的材料,才适合制造高压涡轮叶片。而要生产出这样的材料,就需要一个国家的材料科学和技术极其的先进了。
目前为止,高压涡轮叶片的材料已经发展了近40年。从最初的锻造高温合金,铸造高温合金,到变形合金,定向凝固合金,再到单晶耐高温合金,金属间化物。
而要研制出以上的材料,是需要投入大量的人力,物力,财力,时间。短时间内还不一定会出效果,所以说,可以制造出高压涡轮叶片的国家,无一不是工业极其发达,材料技术极为先进的国家。
也正是材料技术的进步,才使得高压涡轮叶片的材料的性能是逐渐提高,抗蠕变,耐高温等性能是越来越强。随着高压涡轮叶片耐高温等性能的提升,航空发动机的涡前温度也越来越高。最终导致航空发动机的推力越来越大。
低压涡轮叶片
低压涡轮叶片是仅挨着,高压涡轮叶片的。当高温高速高压气流,经过高压涡轮叶片后,所含有的能量就会进一步降低,那么低压涡轮叶片所工作的环境会比高压涡轮叶片要温和一些。
尽管如此,低压涡轮叶片的工作环境的恶劣性,在航空发动机中也名列前茅。基本上,可以制造出高压涡轮叶片,低压涡轮叶片的制造就不是问题,再不济,两者可以选择相同的材料。一般来说,低压涡轮叶片的材料性能,要比高压涡轮叶片材料的性能略差。这自然是两者的工作环境导致的结果。
第二:涡轮盘
高低压涡轮叶片就是安装在涡轮盘上的,涡轮盘也要面对和高低压涡轮叶片类似的工作环境。自然也需要性能极为优异的材料,才可以满足使用要求。
而涡轮盘的材料从变形高温合金,到铸造高温合金,再到定向凝固合金,又到粉末高温合金,最后到复合材料整体涡轮盘。
而制造涡轮盘所需要用到技术有“等温超塑性锻造,热等静压成型,喷射成型”等等。
仅以上的制造方法,就令人头大了,一般的国家根本就无法掌握。
第三:航空发动机整体
制造航空发动机时,除了要用到制造高低压涡轮叶片和涡轮盘的金属材料外,还要用到复合材料,陶瓷材料,钛合金等等。
比如说:航空发动机的风扇叶片是由复合材料或者钛合金制造的。燃烧室是由陶瓷基复合材料制造的;机匣是由复合材料制造的;尾喷管是由钛合金制造的。
要制造航空发动机,除了需要合适的材料之外,还需要彻底掌握“铸造,锻造,焊接,机械加工,特种加工,表面处理”等制造工艺。
当然了,以上的制造技术只不过是比较粗略的。
如果细分的话,那就可以分出很多了。
如精密成型技术,又包括精密锻造,精密铸造,精密旋压,粉末冶金,快速成型。
其中精密旋压技术被广泛应用到航空发动机的整流罩,燃烧室锥体,压气机外壳等零件的加工上。
快速成型技术主要是用于加工燃烧室的喷油嘴。
特种加工技术,又包括电火花加工,电化学加工,高能束流加工,磨粒流,振动光筛,磨料水射流加工。
电火花加工技术主要用于涡轮导向叶片上的气膜孔,压气机静子叶片扇形段的加工。
电解加工技术主要用于高温合金整体叶盘的加工。飞秒激光打孔也可以用于涡轮叶片上气膜孔的加工。
焊接技术,又包括真空电子束焊接,惯性摩擦焊,钎焊,氩弧焊。
真空电子束焊接被广泛应用于发动机整体转子,机匣,主轴等重要结构的焊接。已成为航空发动机风扇盘、高压压气机转子组件及高压涡轮盘轴组件连接的主要焊接工艺。
钎焊主要是用于焊接航空发动机蜂窝封严结构,涡轮叶片,压气机叶片,机匣,燃烧室部件的焊接。
表面处理技术,又包括化学处理,表面涂层,表面强化等。
喷丸强化主要用于航空发动机整体叶盘表面的强化。
根据要达到不同的效果,涂层的种类可以分为封严涂层,耐磨涂层,热障涂层。其中封严涂层可用于机匣组件,耐磨涂层可用于轴类零件,热障涂层可用于涡轮叶片。
综上所述,航空发动机的制造难点主要就是集中在“涡轮盘,高压涡轮叶片,低压涡轮叶片”。
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