航空发动机中的涡轮叶片有多重要?

段槿年


叶片在航空发动机中起着最重要的作用,没有叶片航空发动机就没办法产生推力。

航空发动机的叶片又分为涡轮叶片,风扇叶片,压气机叶片。而涡轮叶片又分为“高压涡轮叶片”,“低压涡轮叶片”,“导向涡轮叶片”。压气机叶片分为“高压压气机叶片”,“低压压气机叶片”。其中决定发动机推力大小的因素之一就是高压涡轮叶片的性能,从此可见,叶片在航空发动机中的地位有多么的重要。


导向涡轮叶片

导向叶片并不是转动的,而是静止的。虽说导向叶片是静止的,但其作用也相当的大。

导向叶片的主要作用:让从燃烧室喷出的高温高速气流顺着一定的角度进行偏转,从而冲向涡轮的高压和低压叶片。通过涡轮高低压叶片的高速旋转,通过涡轮轴带动压气机的旋转。进行往复的循环,并不断的产生推力。由于涡轮导向叶片直面高温高速气流,所以其工作环境极为苛刻。导向叶片主要在以下的环境中工作:1000度以上的高温,极大的热应力,热应变,复杂腐蚀,气动负荷,燃气应力等。


高压涡轮叶片

而高压涡轮叶片需要承受1500度以上的高温,相当于叶片自重2千倍的离心力和气动力,腐蚀,载荷等等。所以要求高压涡轮叶片具有耐高温,高强度,耐腐蚀等特点。为了使高压涡轮叶片具有以上的性能,在制造时要使用特殊的材料。

早些时候,制造涡轮叶片的材料主要是变形高温合金,该合金的承受温度在1000度以下,早期的航空发动机推力并不大,所以对涡轮叶片的耐高温性能要求也没有今天那么严格。随着发动机推力的增大,变形高温合金已经无法满足要求了。紧接着,又出现了铸造高温合金,而铸造高温合金中又包括了:“单晶高温合金”,“定向凝固合金”,“一般铸造合金”等。



当今先进航空发动机的涡轮叶片主要使用的就是单晶耐高温合金。到目前为止,单晶耐高温合金已经发展了五代。第一代主要以美国的“PWA1480”,“CMSX-2/3”,英国的“SRR99”,我国的“DD403”为代表。第二代主要以美国的“CMSX-4”,“PWA1484”,“reneN1”,“reneN5”,我国的“DD406”为代表。第三代主要以美国的“CMSX-10”,“Rene6”,我国的“DD409”,日本的“TMS-75”为代表。


目前来说,仅有日本研发出了第四代“TMS-138”,第五代“TMS-162”,“TMS-192”。可见日本在单晶耐高温合金的发展上是一骑绝尘,其技术十分先进。

第三代单晶耐高温合金普遍可以在1100度,140Mpa的环境下持续稳定使用220小时以上。而TMS-138可以在1100度,137Mpa的环境下稳定工作399小时。TMS-162则可以在相同条件下工作959个小时。


除了单晶耐高温合金之外,还有金属间化物。我国主要以NI3AL为材料,研发了IC6,IC10。IC10主要用于第四代航空发动机的高低压涡轮叶片和导向叶片,估计低压涡轮叶片和导向叶片还是用了DD406单晶耐高温合金。IC10高温合金在1100℃达到完全抗氧化级,涂覆NiCoCrAlY涂层后1150℃达到抗氧化级。其实单靠单晶合金是无法使涡前温度达到1700度甚至1800度的,除了高温合金自身的耐高温能力之外。还相继研发出来了隔热涂层技术,复合气冷技术。

由此可见,叶片在航空发动机中的作用有多大。(图片来自网络)


江山何沉


aero-engine〔航空发动机〕

是飞行器的动力之源、是一种高度复杂极其精密的热力机械。

航空发动机比誉为“工业机械制造皇冠👑上的一颗明珠”!


现代航空飞行器的几种主要的动力系统)

(飞机✈️最早从“活塞发动机为动力、开启的“自由飞翔”、螺旋桨叶片从优质木制材料一路发展到今天的金属材料和复合材料制作用了170多年时间、也是飞机发展的历程)

就是这既年轻又古老的一只螺旋桨迄今为止从选材、到生产加工工艺仍然难倒很多国家、更不用说涡扇发动机技术的复杂性了……

Turbine.blade/Turbof


an〔涡轮叶片〕-制作材料“高温合金”

是燃气轮发动机极其重要的组成部分之一、其工作原理就是高速旋转将高压、高温气流吸入燃烧室维持发动机作功、〔涡轮叶片〕是在极其恶劣的条件下工作、高压高温制作叶片的材料以及生产工艺

甚至于是航空强国和航空发动机设计生产厂家的核心技术和“国家级机密”之一。
现在已知的叶片材料有:“镍基|高温合金”、“金属间化合物”、“陶瓷和C/C复合材料”、“高温钛合金”、“单晶高温合金”30多种……





燃气轮机一只小小的叶片决定了整台发动机的使用寿命。



(二战时期纳粹德国研发的喷气式发动机

“尤莫1O9/O04”型发动机寿命只有几十个小时就必须大修)
随着叶片
真空熔炼、定向凝固、单晶锻造生产工艺技术不断提升、涡轮进气温度从1940年代的700度、到现在的1700度、发动机寿命也提到几千小时。

一台高精尖技术的先进涡扇发动机高温合金占55%~65%、高温钛合金占25~40%。

“叶片”的原材料和生产加工工艺考验着一个国家化工、冶金、机械制造加工的基础和工业体系……






美国的“F-35”五代机配置的是一台世界上第一型推重比达到10的涡扇发动机/ F119-pw-100

发动机重量:1700公斤

推重比:10·5

军用推力13吨级别

加力推力19吨级别

就是那么一只小小的涡扇“叶片”、如果没有完整的工业体系、就是把它摆在眼前、拿在手里、也是“老虎吃天、无从下爪”……

这就是涡扇/涡喷/涡桨发动机的“叶片”魅力所在!


孔乙己乱弹


发动机可以说是飞机最重要的部分,没有之一。

在螺旋桨时代,飞机用的是螺旋桨发动机。螺旋桨发动构造相对简单,甚至早期的飞机螺旋桨还是用木头做的。而到了喷气时代,喷气式战机所使用的的航空发动机已经是构造精密复杂之极了!具体有多复杂呢?

如果要研发生产一款高性能的航空发动机一共需要生产3.5万多个零件,其中65%都是超精密级别的;此外还需要测量20多万个参数数据,需要400多种超精密级别的测量仪器,所涉及的所有测量仪器国际上都是禁止出口的,是买不到的。

而航空发动机这几万个零部件当中,最重要的零件当属涡轮叶片了!

涡轮叶片是一种自由曲面零件,别看薄薄一片,形状也不复杂,但是其在航空发动机中的重要性是最高的!曲线形状设计、制作工艺、加工精度是否合理正确影响着涡轮叶片的质量,涡轮叶片的质量又直接影响航空发动机的性能和安全。

此外,涡轮叶片在发动机工作时候会高速转动,转速通常达到8000-10000转/分钟,而且还要承受高温炙烤和高速气流的冲击,这就对制作涡轮叶片的金属材料有很大的要求。

制作涡轮叶片的材料为特种高温合金,这种金属有着极佳的耐高温性、耐腐蚀性、耐热应力形变性能,尤其是用于制作涡轮叶片的高温合金,更是对上述性能有着更高的要求。所以生产涡轮叶片的工艺参数包括其他一些精密零部件生产工艺参数都是各国的高度机密,绝不外传。而且他国就算弄到了一台完整的发动机也很难逆向复制,这个零件是用什么原材料制成的?要用什么工艺加工?这些问题看现成的成品是得不出答案的!

(图为正在加工涡轮叶片的女性工人)

航空发动机有“四高”:高技术,高投入、高风险、高壁垒。能生产一款性能优秀的航空发动机不仅要求这个国家有着极为雄厚发达的工业实力,而且还要有十年如一日的海量资金投入。你看看俄罗斯,苏联的老本吃了二三十年,我们发展了几十年的的航空发动机水平还是逊色俄罗斯,更别提一直在前进发展的美国了!可以说航空发动机这个行业是既要时间又要金钱,量变产生质变,想要突然弯道超车基本是不可能的!

所以,航空发动机机密性这么高为啥国际上战机出口贸易还那么繁荣?因为那些国家知道你就算买了你也仿造不出来!


Mister李


航空发动机被誉为工业王冠上最为璀璨的一颗宝石,而叶片就是关键的核心部件之一,直接决定着发动机的各项性能,如美国GEnx作为替代CF6的下一代发动机产品,用于大飞机波音787和747,2009年由于使用了4822镍基高温合金,用于制造了两级低压涡轮叶片,就使发动机减重90多千克,节油20%,氮的排放量减少80%,噪音也得于降低显著,成为当年一个技术实现突破的标志性事件,从此可以看出叶片的重要,不是说可以定死生,发展也具有决定性意义。因是三大航发公司无不把叶片制造,当作头等重要的大事,潜心攻关发展。

技术难度大

体积小重量轻寿命长,耐得住 高温高压和高速,才能称得上伟大的叶片,伟大的航发。材料要好,可在1700摄氏温度下,工作1000小时,正是第三代叶片的基本要求,达不到也行,只有更换。其次是加工难度,发动机叶片都是自由曲面,而且是超薄设计(还是空腔),加工出来是天大的事,没有先进的机床,难以生产,其加工精度,达到了微米以下,传说中的各种精细技术,在叶片加工中体现得淋漓尽致,有称超精细,其使用所有技术都可称为革命性。复杂的结构需要万千精细的加工技术,每一项都可堪称为尖㾍科技。这么说吧,十几克的叶片要承受住上万公斤的离心力。若非技术登峰造极,根本难以实现,唯此方能体现和凸显它的重要。

我国的进步

2014年的成果,叶片加工突破了超快激光技术,实现引领,引领的意思,探出了头,走到了最前面。现实地说,仍有差距,然罗马城近在咫尺,并非如门外汉信口一说几十年,有些技术我们领了先,有些方面仍要努力。凡是我们没有完成最新前沿技术突破者,都是人家要百般封锁的。大飞机发动机,可造99%,所不足者只有1%,其中不包括叶片,我们几年前即开始了出口。在材料方面,我们的镍铝单晶合金,也实现了领先,领先多少,至少5代以上,帅不帅,酷不酷?还不了解的,可以前去看一看。


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