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材料之殇:从小学知识说起,说说航空发动机发展背后的故事
来源:机械知网 2022-11-30 425
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    上图这造型就是典型的涡轮叶片。在燃料和叶片的关系中,燃料的盈余量很大,所以无论叶片有多牢靠,多倒些燃料,就可以紧紧把叶片逼到奔溃边缘工作。为了充分压榨叶片,还有很多冷却技术,比如,叶片上的小孔,工作时有高速气流喷出,在叶片表面形成一层气膜,这叫“气膜冷却技术”。

    发动机里温度最高的便是涡轮前面那段,这叫“涡轮前温度”,是衡量发动机代差的主要参数。因为耐高温是硬功夫,只要这点追上了,哪怕其他参数不行,也可以通过设计快速提升,这个进度是可预期的,但材料研发的进度是说不准的。

    涡前温度每提高100K,推力增加15%,相差200K就意味着相差一代。听说涡前温度全球平均每年提升10K,有人说我们的发动机落后美帝20年,估计就是根据这个算出来的。

    虽然发动机结构设计也很复杂,但难度无法与材料相比,想办法弄一台样品,直接山寨就是。别嘲笑山寨,这家伙还有个帅气的正经名字:逆向工程。写论文第一步都是文献综述,任何研发工作,首先了解同类产品并借鉴升级,是非常合理的做法。任何国家都这么干,以前这么干,现在这么干,未来还这么干!只不过我们底子薄,现在干得更多而已。当然了,像发动机这么复杂的机器,自己没有吃透,也是不可能完成山寨的。

    举个例子。某年,歼六发动机连续断轴,一度导致60%飞机停飞,严重影响空防。折腾两年才搞明白,这个发动机山寨了相当部分毛子的设计,但有一处倒圆角半径出了问题:

    毛子设计是0.6mm-0.8mm,无奈我们的刀具材料不过关,圆角刀两侧磨损过快,于是加工时半径少了0.2mm。就因为这0.2mm,导致应力急剧增加,涡轮轴断裂,多次酿成机毁人亡事故。想想,一个发动机需要多少这样的细节组成?

    战斗机还有“开加力”一说,就是在发动机后面再装一个大圆筒,紧急时刻拼命往里倒燃料。这和吃兴奋剂没区别,瞬间增加50%的推力,但对材料的磨损极其严重,非常影响寿命!发动机在加力状态下,一般不会超过5分钟!

    “最大推力”是指开加力的推力,“中间推力”是指不开加力的最大推力。

    有了这些知识打底,咱就能解读一些新闻了。

    一、涡扇-10,WS10,俗称太行发动机。

    我们的第一台大推力发动机,大涵道比结构,用于大型军用飞机。延伸型号则装备最先进的三代机,歼11B。看几条官方公布的新技术:

    1)“低压涡轮两级导向叶片空心、三联整体无余量精铸结构,与高压涡轮对转。”啥意思呢?如果所有的叶盘往一个方向转,就会带着发动机也朝一个方向转,固定支架的压力就很大;如果一个向左转,一个向右转,就可以抵消旋转产生的力,这个道理很简单。据说这种设计在此类发动机里很少见,但这对发动机叶片耐高温没啥帮助,也不能因此而多倒燃料。

    2)“三级风扇为带进气可变弯度导向叶片的跨音速气动设计。”啥意思?气动是我们的强项嘛,不过这种设计还是提升不了发动机的层次。

    3)“借鉴国际上先进的气膜冷却技术,大胆采用了复合气冷空心涡轮叶片。”终于说到点子上了,叶片能承受更高的温度,尽管倒燃料吧!

    4)“纳米氧化锆热障涂层技术应用于高压涡轮导向叶片以及低压一、二级导向叶片。”这个好理解,叶片更耐热了,不错不错。

    5)“第Ⅳ级和Ⅷ级高压压气静子叶片,首次实现高温合金叶片的冷辊轧。”这个也不错,同样的材质,冷辊轧的性能会更好点。

    6)“首次采用整体铸造钛合金中介机匣。”这是发动机最重要的承力结构,整体铸造的强度寿命都会更好些。

    总体来看,涡轮前温度1747K,最大推力13-15吨,推重比大约8,有不少新的设计,估计已经用上那个最新的钛铝合金了。如果镍基材料追上来,性能肯定还能升,现在虽比不上美帝,但也算是合格大流氓了。

    二、涡扇-15,WS15,俗称峨眉发动机。

    尚未出世,为J20等四代机定制的小涵道比矢量发动机,“矢量”就是喷口能拐弯的意思。二三级风扇和前三级高压压气机为整体叶盘,钛合金材料;高压涡轮叶片是所谓的国内第三代单晶材料,估计研发就是卡在这里了。

    设计参数:涡轮前温度1850K,最大推力16-18吨,推重比大约10。

    对比一下美帝F35的发动机,全世界最牛逼的普惠F135:涡轮前温度大约2000K,最大推力19吨,推重比11.7。强调一点:美帝是现役的,我们是研发中的。

    简单看一眼现役老装备:涡扇-9“秦岭”,推重比5.05,推力约5.5吨,装备飞豹;涡扇-13“天山”,推重比7.8,推力约5吨,装备枭龙,飞豹;涡喷-14“昆仑”,推重比 6.4,推力约5吨,装备歼-8,歼-7系列;涡扇-500,用于无人机和巡航导弹,推力500kg。这是整体叶盘技术非常成功的应用案例,和西方差不多同一水平了。所以,我们这几年的无人机和巡航导弹一个比一个叫的响。

    涡轮叶片想要全面赶超美帝,或三五年,或一二十年,反正不可能一夜圆梦,就死了这条心吧!不过,我们这位老司机,弯道超车可是一把好手。发动机的弯道在哪儿呢?

    若在大气层内速度超过2倍音速,那些涡轮无论多牛逼,都会被离心力甩断裂,于是就有了新套路:“冲压发动机”。

    速度快到逆天后,迎面吹来的风就比抽风机还要多,所以可以把那些乱七八糟的涡轮全扔了,就一个空牢牢的圆筒就行。这种发动机很轻,最多不超过1吨,但产生的推力却可以达到30吨,功率相当于200个火车头!冲压发动机的原理,就决定了这货只有在高速状态下才能开启,3倍音速以上的飞行器,基本都是冲压发动机。请看涡喷发动机和冲压发动机的区别:

    因为不需要高温高压的叶片,我们一下子就活络了,气动外形可是咱强项啊!为什么我们的超音速巡航导弹、反舰导弹、防空导弹牛逼,这下明白了吧?

    当然,这弯道超车也不是谁都能玩的,搞不好就得翻车,尤其是6马赫以上的超燃冲压发动机。这相当于在超音速的大风中点火(16级台风的风速也就50m/s),非常容易熄火!

    美国NASA研制的高超音速飞行器X-43A,最高速度达9.7马赫,因为燃料无法持续的问题被放弃。后来的X-51A“乘波者”几次试飞,虽然完成了超燃冲压发动机的点火,但燃烧室气流不均匀导致的燃烧不稳定也是个头大的问题。

    据说(我们的消息都要据说),我们的DF-ZF(美帝称WU-14)已经稳定试飞N次了,有说法称这货已经超过美帝了。考虑到当年“钱学森们”留下的雄厚的气动功底和近乎变态的风洞,再考虑到冲压发动机不需要涡轮叶片,这说法可信度还是很高的。

    除了冲压发动机,最后还有一种解决方案,可以自带氧气嘛。这也不需要抽风机了,也就没有后续那一堆烦心事了!呵呵,这是火箭发动机。家家有本难念的经,这本经改日再念。

    本着“世界上只有中国和外国两个国家”的原则,航空发动机任重而道远!

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