尾部「噴火」不斷 發動機工作溫度高達2000℃ 葉片材料是關鍵

2020-12-03 123觀察室

"噴火"的戰機尾噴口

作為飛機最重要的部分,發動機一直都是人們津津樂道的對象之一。現代航空發動機工作時,內部溫度可以達到2000℃,然而鋼鐵的熔點僅在1538℃左右,看起來只有使用自然界最耐高溫的純金屬材料——鎢這種熔點高達3400℃的金屬,才能達到發動機的耐熱要求,可是鎢的生產非常困難,並且價格高昂,儲量也不多,顯然無法成為製造發動機的主要材料。這就讓很多人都有了一個疑問:"發動機是怎樣保證自己不被高溫熔化的呢?"

航空發動機結構解剖圖

渦扇發動機從進氣口吸入空氣,經壓氣機處理的空氣和霧化燃油混合後被點燃,形成高溫高壓燃氣,燃氣推動高中低三級渦輪做功,並且由於渦輪和壓氣機共軸的原因,又可以驅動進氣道和壓氣機工作,這樣就形成了一個完整而穩定的循環系統,既能為戰機提供穩定的動力來源,又能保證發動機自身不易停機。

兩名觸摸發動機尾噴的軍人,可見由於良好的材料性能,尾噴部分溫度並不高

從渦扇發動機的工作過程中不難看出,發動機內部能產生高溫的區域並不多,事實上也確實如此,發動機內部達到2000℃高溫的區域一般只是燃燒室,這也就不需要整個發動機都用鎢及其合金來打造。然而另很多人想不到的是,就連燃燒室,也不是用鎢及其合金材料打造的。

航空發動機葉片

人類目前已經擁有了非常成熟的合金材料技術,不僅可以通過在燃燒室表面進行陶瓷鍍膜處理來達到散熱的目的,更擁有像單晶空心葉片一樣的技術來保證在燃燒室內工作或者需要承受高溫高壓燃氣的構件擁有了優秀的耐熱性和穩定性。不過發動機葉片的生產製造有著非常嚴格的工業標準,要求整個渦輪的質量均勻分布,並且內部葉片內部的空心情況也有著細緻入微的規定。也正是因為這些條件的限制,世界上能夠獨立製造航空發動機乃至生產五代機的國家並不多。

世界上最大的稀土礦區——內蒙古白雲鄂博礦區

航空發動機生產中不僅僅需要像鋼鐵一樣的普通材料,有時也需要稀土元素。稀土元素常常用在發動機葉片鍍膜或成型工藝上,是非常關鍵的材料之一,好在國內目前擁有世界上最大的稀土礦區,物質上並不制約航空發動機的發展。像WS-10、WS-15這樣性能優秀的渦扇發動機正在逐步列裝部隊。

正在更換發動機的F/A-18大黃蜂艦載機

值得一提的是,目前美軍使用的航空發動機壽命都在4000小時以上,並且發動機性能都遠超其他國家。但是一方面美國在發動機設計和材料選取等方面相較其他國家都擁有更雄厚的財力支持,另一方面美軍在役飛機數量眾多,通過大量的數據堆疊積累了豐富的經驗,其中更是摸索出通過更換發動機來保證戰機持續飛行能力的獨特思路,在航空發動機上的差距,還要慢慢追趕。

相關焦點

  • 航空發動機的秘密:溫度越高推力越大?關鍵還是材料問題
    渦扇發動機工作的時候,會通過進氣口吸入大量空氣,壓縮機將空氣壓縮後,進入燃燒室與燃料混合,點火後壓縮氣體膨脹,尾部噴管則會噴射出高溫高速氣體,而這就是渦扇發動機賦予戰鬥機的推力所在。第二個就是提高渦輪前端的溫度了。溫度越高,噴射出的氣體就會更強勁,肉眼看上去當然是火焰燃燒得更旺,自然就會提升渦扇發動機的推力了。 故而,提高渦輪溫度,就成為了提高渦扇發動機推力的主要辦法。按照航空學的研究,在其他條件保持穩定的情況下,渦扇前端的溫度只要提升100攝氏度,整個發動機的推力就會提高最少10%以上。看上去這已經是相當驚人的效果了。
  • 航空發動機溫度最高可達2000℃,平時是如何精確測量的?
    一、引言我們知道現代的航空發動機一般都是渦扇發動機。而渦扇發動機的大致結構組成部分由前至後,依次為:風扇葉片、壓氣機、燃燒室、以及渦輪和尾噴管。隨著航空發動機向高涵道比、高推重比、高渦輪進口溫度方向發展,發動機熱端部件的工作溫度越來越高,特別是燃燒室中的燃氣溫度和燃氣壓力不斷提高(目前軍用渦扇發動機燃燒時溫度已經達到2000攝氏度),發動機中如渦輪盤、渦輪葉片等部件將承受更加嚴酷的高溫、高壓的惡劣工作環境的考驗。
  • 鈦鋁合金葉片取得重大技術突破,將應用於國產長江1000A發動機
    航空發動機,最難是葉片航空發動機從原理上講其實並不特別複雜,空氣經過風扇進入後,經過壓氣機壓縮,再經過燃燒室和燃料混合燃燒膨脹,然後經過尾噴排出做功,通過牛頓第三定律,產生巨大的推力。然而由於工況惡劣、熱端燃燒工作溫度高、同時還要承受極其嚴酷的力學考驗,給航空發動機的材料水平帶來了極高的要求和考驗。可以說,航空發動機最難的是材料,特別是葉片材料。
  • 渦軸發動機先進材料
    因此,承溫能力(熔點)、密度、中高溫蠕變性能、熱疲勞性能、抗氧化耐腐蝕性能、長時組織穩定性及工藝性能等是評價渦輪葉片材料的主要依據。經過半個多世紀的技術發展及應用,當前鑄造高溫合金已佔據了渦軸發動機渦輪葉片材料的主導地位。隨著渦軸發動機性能的不斷提高,渦輪葉片材料也相應地從等軸晶合金髮展到定向柱晶合金和單晶合金。
  • 為什麼發動機至今依然是金屬材料 其它材料行嗎?
    在燃燒器部分,高溫鎳基和鈷基合金(具有中等強度,易於加工)已成為該結構主要材料。燃燒過後,氣體溫度在1400℃到1500℃的範圍內,隨著它們進入到高壓渦輪中,旋轉渦輪葉片由此承受發動機中最為劇烈的應力、溫度的組合考驗。其中渦輪葉片是最特別的氣動熱組件,其薄壁且多層的結構驅動著複雜的內部冷卻體系。
  • 從高溫合金到單晶合金+複合冷卻,看航空發動機葉片發展之路
    眾所周知,航空發動機是整個飛機的核心所在,它的性能直接決定著飛機的整體性能,所以航空發動機也被稱為「工業皇冠上的明珠」。而在航空燃氣渦輪發動機中工作環境最為惡劣、應力最為複雜的就是渦輪葉片了,同時渦輪葉片也是航空發動機需求在尺寸小、重量輕的情況下獲得高性能的關鍵之處。
  • 鎢耐高溫比錸強得多,為什麼發動機葉片不用鎢,卻用稀有金屬錸?
    說起航空發動機的葉片,那個工作環境一個惡劣,比如F22的御用發動機F119渦前溫度是1703℃,這個高溫將融化我們常見的金屬,因此大家首先就想到了熔點奇高的金屬鎢,它的熔點高達3422 ℃,對付1703 ℃綽綽有餘,但從來都聽說過發動機葉片中使用了鎢合金,為什麼會這樣?渦輪發動機的工作條件到底有多惡劣?
  • 汽車排氣管噴火究竟是咋回事?
    北京艾森汽車性能改裝升級很多細心的車友都會注意到:許多超跑、改裝車和賽車在換檔、過彎甚至剎車時都會尾部噴火,同時發出爆裂的響聲,非常帥氣。有人不禁想問:車尾噴火的原理是什麼?噴火對車子有傷害嗎?最重要的是,我的家庭轎車能噴火嗎?常見的排氣管噴火,其中一種是改裝車:採用直排,排氣系統較短。在發動機高轉速時為使發動機有更強的動力,噴油會加濃,導致部分未燃燃料排到排氣管中繼續燃燒,有時還可以聽到排氣管放炮的「嘭」響。
  • 為什麼螺旋槳飛機無法超音速飛行噴氣發動機葉片卻能超音速旋轉?
    首先為了避免進入發動機內部的氣流遇到渦輪葉片後產生喘振和爆震的問題,就要想辦法讓進入發動機工作的超音速氣流「提前減速」。比如我國的殲7、法國的幻影2000、美國的SR71這幾款能夠實現超音速飛行的戰機都使用了外壓式進氣錐來完成空氣減速的作用。到後面三代機時代開始,為了提升進氣量和簡化進氣道結構、以及隨著發動機推力提升後對於空氣流量的需求增加後,傳統的外壓式進氣錐顯然不能滿足大流量進氣需求,所以開始藉助進氣道結構來實現進氣量的調節,同時在這個時候進去發動機工作的氣流速度已經在逐漸提升。
  • 航空發動機大跨越!國產「熱障塗層」突破,可承受2000℃高溫
    而葉片也是必不可缺的一部分,並且這些葉片還需要經受高溫、腐蝕的考驗,所以對材料的要求也很高。所以,一個國家掌握了航空發動機技術,就意味著高精尖製造業達到了國際領先水平。所以!發動機整個機體從軸承到葉片的耐熱材料是最重要的一點,發動機本身的耐熱材料對發動機來說至關重要,因為發動機產生的熱量越高。
  • 航空發動機難造全因為材料不行?這還真不是
    相信很多關心航空發動機發展的金粉們都聽過這樣一個斷言:航空發動機不好是因為材料不行。材料是問題之一,但難題是多方面的。一臺民用發動機需要無故障地、穩定地工作3萬小時,在工作過程中,一方面轉速極高(每分鐘約15000轉),需要承擔葉片本身重量1萬倍的離心力;另一方面,燃燒室溫度達到1800K以上,與之對照,目前熔點最高的鎳基高溫合金初熔點不到1600K。
  • 戰鬥機尾部火焰還分級別?每種顏色代表都不相同
    戰鬥機尾部火焰一共有11種顏色,每種顏色代表不同的溫度和級別。等級最高的是藍色火焰,像我們的殲-20的尾部噴出的就是藍色火焰,給人一種十分強烈的科技感,符合我們五代戰機的先進設計,溫度大約在2500攝氏度以上。
  • 為什麼給了圖紙也造不出,航空發動機四大難點
    關注國產發動機的朋友想必都聽說過這樣一個論斷:航空發動機性能不行是因為材料不行!材料問題的確是制約國產航發性能的一個因素,但問題並不僅僅在材料方面,而是多方面的。拋鳥實驗、吞冰實驗就是為了模擬這種極端工況,確保航空發動機的可靠性。超高轉速產生的巨大的離心力為了將巨大的飛機推入高空並高速飛行,發動機葉片需要超高速旋轉,每分鐘高達16000轉。這種情況下,每片葉片都將產生巨大的離心力,相當於葉片自身重量的10000倍,大概在15噸。
  • 為什麼給了圖紙也造不出,航空發動機難在哪裡
    關注國產發動機的朋友想必都聽說過這樣一個論斷:航空發動機性能不行是因為材料不行!材料問題的確是制約國產航發性能的一個因素,但問題並不僅僅在材料方面,而是多方面的。拋鳥實驗、吞冰實驗就是為了模擬這種極端工況,確保航空發動機的可靠性。超高轉速產生的巨大的離心力為了將巨大的飛機推入高空並高速飛行,發動機葉片需要超高速旋轉,每分鐘高達16000轉。這種情況下,每片葉片都將產生巨大的離心力,相當於葉片自身重量的10000倍,大概在15噸。
  • 高溫合金項目可行性研究報告——現代工業裝備領域的關鍵材料
    高推重比、低油耗和高可靠性是航空發動機發展的主要目標,為了提高發動機的推力和效率,要求儘可能提高發動機的渦輪進口溫度,數據顯示,推重比為10的發動機渦輪進口溫度已達1580-1650℃。燃燒室是發動機各部件中溫度最高的區域,燃燒室內燃氣溫度可達1500-2000℃,作為燃燒室壁的高溫合金材料需承受800-900℃的高溫,局部甚至高達1100℃以上。
  • 航空發動機四大核心,大多數人只知道一個核心葉片,卻不知另3個
    航空發動機核心機細節圖在航空航天君幾年的工作與科研中越發的認識到,我們將發動機發展滯後完全歸結與葉片只是一小部分原因老調長談,葉片是核心因素,但不是唯一舉個例子,航空發動機中的葉片就相當於汽車發動機中的活塞一樣,將能量傳遞給後續的部件,實現動力的傳輸。包括有風扇葉片、壓氣機葉片、低壓渦輪葉片和高壓渦輪葉片,這其中以高壓渦輪葉片的製造最為困難,承受溫度最高。
  • 航發終於傳來好消息,渦扇葉片可耐受2000℃高溫,20多國要求出口
    尤其對我國而言,航空發動機一直是制約著我國空軍和航天事業向著更高目標發展的最大障礙。一些西方專家調侃稱,發動機難題或將會成為困擾我國的世紀難題。美國的航發技術成就至少領先我國半個世紀,因為他們從上個世紀開始就在航發領域有著很突出的成就了,如果按照時間來推算的話,領先我們半個世紀是完全有可能的。美國的航發之所以領先很多國家,是因為他們在熱障塗層領域展開深入研究,這是航發是否先進的重要環節。
  • 小小葉片如何驅動戰機飛行
    渦輪葉片在「三兄弟」中堪稱「八面玲瓏」,面對高溫、高壓、腐蝕、磨損和複雜載荷等各種惡劣工況仍能應對自如,而這一切都與它的「硬核」設計密不可分。 渦扇發動機的渦輪前溫度非常高。如今,大多數渦輪葉片材料使用耐高溫性強的鎳基單晶高溫合金。
  • 2020年中國航空發動機葉片市場現狀
    從航空發動機種類來看,目前,渦扇發動機廣泛應用於戰鬥機、運輸機、客機、無人機,佔比在95%以上,是最為核心的航空發動機。從渦扇發動機的價值構成來看,葉片的價值佔比最大,是航空發動機製造中十分關鍵的構成部件。
  • 航空發動機葉片將實現成都造
    航空發動機葉片將實現成都造 本報記者   羅向明     為該領域全球最完整產業鏈項目    本報訊 (記者 羅向明)再過幾年,波音、空客等大飛機發動機上有可能出現成都造的葉片。