航空發動機的工藝有多難?

原標題:航空發動機的工藝有多難?

航空發動機的研發難點,主要有「第一:高低壓渦輪葉片的製造,第二:渦輪盤的製造,第三:航空發動機整體的製造」。

第一:高低壓渦輪葉片

在說明高低壓渦輪葉片的製造難度之前,還得先看一下其工作環境,只有知道了高低壓渦輪葉片的工作環境,才能夠了解其製造的難度有多大。

眾所周知,航空發動機是通過風扇的旋轉來帶動空氣,進入燃燒室與燃料混合後,進行燃燒。燃燒之後的高溫高壓高速氣流,就會直接被高壓渦輪葉片的旋轉而吸走。之後繼續流向低壓渦輪葉片,最後進入加力燃燒室再次燃燒,最終從尾噴管噴出,以上就是航空發動機的工作流程。

了解航空發動機的工作原理之後,就可以知道高壓渦輪葉片是工作在超高溫,超高壓的環境中,且自身還在以1.3萬轉/分鐘的高速進行旋轉。

這麼一來,高壓渦輪葉片就必須要承受超過1000℃以上的溫度(往往是1400℃~2000℃),20個大氣~50個大氣的壓力,高達10噸~15噸離心力的作用。

高壓渦輪葉片

既然高壓渦輪葉片的工作環境如此惡劣,那麼,為了對抗這樣惡劣的工作環境。高壓渦輪葉片就必須具備較強的「抗蠕變能力,耐高溫能力,抗腐蝕能力,較長的使用壽命」等一系列性能。而讓高壓渦輪葉片,具備上述的性能,難度實在是太大了。

要說讓高壓渦輪葉片承受高溫,高壓,強離心力也不算很難。關鍵是,高壓渦輪葉片不僅要承受上述的環境狀況,還要在高溫,高壓,高轉速的環境中,不能發生形變。

這難度就直接上去了,主要的原因是,金屬基本上都具備延展性,當受到捶打,敲擊,拉伸時,就會發生形變。而延展性,尤其是在高溫條件下,表現的更為明顯。

同理,高壓渦輪葉片也是由金屬製造的,雖然是很特殊的金屬,但是也具備延展性。況且其還是工作在上千攝氏度的高度,強離心力的環境中。在這樣的環境下,還要讓高壓渦輪葉片的形狀保持不變,那真的是太難了。

所以說,也只有極其特殊的材料,才適合製造高壓渦輪葉片。而要生產出這樣的材料,就需要一個國家的材料科學和技術極其的先進了。

目前為止,高壓渦輪葉片的材料已經發展了近40年。從最初的鍛造高溫合金,鑄造高溫合金,到變形合金,定向凝固合金,再到單晶耐高溫合金,金屬間化物。

而要研製出以上的材料,是需要投入大量的人力,物力,財力,時間。短時間內還不一定會出效果,所以說,可以製造出高壓渦輪葉片的國家,無一不是工業極其發達,材料技術極為先進的國家。

也正是材料技術的進步,才使得高壓渦輪葉片的材料的性能是逐漸提高,抗蠕變,耐高溫等性能是越來越強。隨著高壓渦輪葉片耐高溫等性能的提升,航空發動機的渦前溫度也越來越高。最終導致航空發動機的推力越來越大。

低壓渦輪葉片

低壓渦輪葉片是僅挨著,高壓渦輪葉片的。當高溫高速高壓氣流,經過高壓渦輪葉片後,所含有的能量就會進一步降低,那麼低壓渦輪葉片所工作的環境會比高壓渦輪葉片要溫和一些。

儘管如此,低壓渦輪葉片的工作環境的惡劣性,在航空發動機中也名列前茅。基本上,可以製造出高壓渦輪葉片,低壓渦輪葉片的製造就不是問題,再不濟,兩者可以選擇相同的材料。一般來說,低壓渦輪葉片的材料性能,要比高壓渦輪葉片材料的性能略差。這自然是兩者的工作環境導致的結果。

第二:渦輪盤

高低壓渦輪葉片就是安裝在渦輪盤上的,渦輪盤也要面對和高低壓渦輪葉片類似的工作環境。自然也需要性能極為優異的材料,才可以滿足使用要求。

而渦輪盤的材料從變形高溫合金,到鑄造高溫合金,再到定向凝固合金,又到粉末高溫合金,最後到復合材料整體渦輪盤。

而製造渦輪盤所需要用到技術有「等溫超塑性鍛造,熱等靜壓成型,噴射成型」等等。

僅以上的製造方法,就令人頭大了,一般的國家根本就無法掌握。

第三:航空發動機整體

製造航空發動機時,除了要用到製造高低壓渦輪葉片和渦輪盤的金屬材料外,還要用到復合材料,陶瓷材料,鈦合金等等。

比如說:航空發動機的風扇葉片是由復合材料或者鈦合金製造的。燃燒室是由陶瓷基復合材料製造的;機匣是由復合材料製造的;尾噴管是由鈦合金製造的。

要製造航空發動機,除了需要合適的材料之外,還需要徹底掌握「鑄造,鍛造,焊接,機械加工,特種加工,表面處理」等製造工藝。

當然了,以上的製造技術只不過是比較粗略的。

如果細分的話,那就可以分出很多了。

如精密成型技術,又包括精密鍛造,精密鑄造,精密旋壓,粉末冶金,快速成型。

其中精密旋壓技術被廣泛應用到航空發動機的整流罩,燃燒室錐體,壓氣機外殼等零件的加工上。

快速成型技術主要是用於加工燃燒室的噴油嘴。

特種加工技術,又包括電火花加工,電化學加工,高能束流加工,磨粒流,振動光篩,磨料水射流加工。

電火花加工技術主要用於渦輪導向葉片上的氣膜孔,壓氣機靜子葉片扇形段的加工。

電解加工技術主要用於高溫合金整體葉盤的加工。飛秒雷射打孔也可以用於渦輪葉片上氣膜孔的加工。

焊接技術,又包括真空電子束焊接,慣性摩擦焊,釺焊,氬弧焊。

真空電子束焊接被廣泛應用於發動機整體轉子,機匣,主軸等重要結構的焊接。已成為航空發動機風扇盤、高壓壓氣機轉子組件及高壓渦輪盤軸組件連接的主要焊接工藝。

釺焊主要是用於焊接航空發動機蜂窩封嚴結構,渦輪葉片,壓氣機葉片,機匣,燃燒室部件的焊接。

表面處理技術,又包括化學處理,表面塗層,表面強化等。

噴丸強化主要用於航空發動機整體葉盤表面的強化。

根據要達到不同的效果,塗層的種類可以分為封嚴塗層,耐磨塗層,熱障塗層。其中封嚴塗層可用於機匣組件,耐磨塗層可用於軸類零件,熱障塗層可用於渦輪葉片。

綜上所述,航空發動機的製造難點主要就是集中在「渦輪盤,高壓渦輪葉片,低壓渦輪葉片」。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-hk/fd7cb932cf4a9c27f453db37793c2e2a.html