[原创]发动机的瓶颈到底是材料和工艺还是结构

发动机的瓶颈到底是材料和工艺还是结构。要找到答案也 并不困难,我们用逆证法来论证。目的,要获得发动机满意的推力和使用寿命(这里只针对战机系列发动机的论证)基于这两个目的还需要做一个延伸阐述。如果单纯追求发动机的推力那这个话题是毫无意义的,我们都知道火箭发动机可以让火箭到达三四万公里的时速。冲压发动机也具备不凡的速度表现。或许是在对火箭发动机和冲压发动机的速度影响下和过于迷信专家的说法,以致众人对发动机的瓶颈到底是结构还是材料与工艺产生了认知偏差。我们就先来看看火箭发动机是怎么回事。

火箭发动机在战机发动机面前它算不上一种发动机技术,火箭的速度完全来源于燃料,做过氢气和氧气燃烧实验的就知道,绝大多数物质和氧气发生燃烧反应都比和空气的燃烧剧烈的多。如果你用一根口径一米长四米的大铁管子再装上平衡翼,封闭另一头,里面按燃烧比例装满氢气和氧气,这时候你把它点燃,只要管子不爆,它的飞行速度肯定是超高音速的。也就是说火箭的速度靠的不是发动机技术而是燃料。再来看看冲压发动机,冲压发动机基本满足战机的飞行速度但其弊端更大于对这个速度的要求。是纯粹靠烧油来获得推力的。在战机的应用上问题百出。

其实发动机要获得极高的推力不难难度在于既要相对小的装置体积又要相对低的能耗还要获得满意的推力。

材料和工艺它可以认为是发动机的一个瓶颈。只是要解决工艺和材料问题恐怕它不比制造一台世界顶级的发动机要容易。等你把工艺和材料都弄清楚了别人在发动机的研发上早已轻舟已过忘重山!

一个直径30厘米和一个同样结构和材料50厘米的涡轮在同样的转速下哪个产生的推力更强?也许有人会说了50厘米的涡轮肯定比30厘米的涡轮能耗要大。这种认为就有点想当然了。事实上它们之间的能耗要说有区别那就是启动的瞬间。当它们都运行正常后基本没有太明显的区别。但比较它们各自产生的推力来说这个能耗区别完全在被忽略的范围内。我说了机械运行它同时会产生势能,轮子的直径重量和势能有直接的关系。在战机而言,真正决定能耗的是推力速度和机身重量。

在发动机的性能上不否定材料和工艺的作用。材料和工艺是为了适应更高的速度更高的温度更高的压力更苛刻的运行环境而产生的。但是,温度,发动机转速,压力都是可以通过结构的改变来控制的。就是说在允许现有材料和工艺条件下通过改变发动机内部结构来获得理想的推力。速度方面可以通过转子套转子的方法分散和转移转子摩擦面。俩个同心的转子同向旋转就完全改变了材料的耐磨性。最大限度的加大涡轮直径就降低了对速度的要求。温度则完全依靠结构上的设计的冷却效果来达到控制了。值得一提的是,发动机很大一部分推力来自于外函道的冷气流和内函道的高温气流交汇的剧烈膨胀。内函道的燃烧高温已经足够满足外函道冷气流的膨胀需要。无需增加加力喷嘴和加力燃烧。部件在高温环境下运行和低温环境下运行其耐受力是存在巨大差别的。这就需要运行环境的转移。我们说的材料要求主要体现在高温高速部分。而这些都是可以通过结构改变来转移它的运行环境。以达到降低对材料和工艺的要求。发动机的燃料有各种各样的添加剂,这些添加剂就是为了克服燃烧时产生的对机器不利因素。

在深入论下去我花了无数心血和精力培养的儿子就为了证明我的观点而白白送人了。这难免蛋疼的不舍。不过等申请了专利之后会给一个满意的理论答案。

另外要说明的是,我设计发动机之前没有见过发动机的图样,也不清楚发动机内部到底是怎样的结构。设计出来之后为了确定这种设计是否真正能称之为战机发动机去各大书城寻找有关发动机的资料,可惜没有。最近一个偶然的机会在铁血网看到发动机的设计图,比较之下,发现这个设计存在缺陷和不足。所以才斗胆在网上发出这个帖子。其实我原来真正的想法是要推出一款完全不同于现有飞机的飞行器。可论证过程中发现飞行器设计是否成功取决于它的发动机。这款飞行器用的是空心发动机,从现有的理论来理解就是涡扇和冲压的完美结合。但在设计上它没有比现有发动机复杂,也没有在工艺和材料上有苛刻要求。在操作上就是一个油路两级控制,仅此而已。至于它的体重也比现有战机发动机要轻。推力方面就不用说了,只要它工作正常就能达到冲压发动机的效果。

本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

[ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]

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热门评论

33楼100HRC

看了大家的评论,忍不住想说两句,提前声明我是学渣,这不是科普文。科普找学霸。

我不说航空发动机的复杂结构,因为我也不太清楚。更不提工作环境的苛刻,因为我也只是在网上看的。我就说我知道的。航空发动机的瓶颈材料更多一点吧。材料不仅仅是指成分,还有加工成型。先说成分,就算我们知道了美国F119发动机所有零件的材料成分,我们不一定能冶炼出来。因为炼钢(当然,航空发动机是特种合金,我只是用炼钢举个最简单的例子)不是一个添加的过程,主要的是除杂(粉末冶金不一样那真是添加)。里面各种元素,多少怎么控制?特别是比较重要的元素,哪怕是多一点少一点对于材料的力学性能(貌似是强度、刚度、寿命、可靠性、耐磨性、振动和噪声。我是学渣)又会有极大的影响。金属冶炼完毕还要凝固对吧?凝固过程中各种元素以及化合物熔点不一样,怎么控制?再说单晶体,一般的时候金属内部并不是均匀的一块,经过处理后,放到显微镜下就会看到,金属内部是类似于生物细胞的金属组织(金相),并不是完全的原子之间的金属键。我们姑且以晶粒称之。这些晶粒大小直接影响金属的力学性能。一般的时候我们希望这些晶粒越小越均匀越好,这样会有更好的性能。适当的热处理和锻造可以细化晶粒,改善性能。单晶体,就是整个金属就一个晶粒,金属内部完全靠金属键连接,它的力学性能非常优秀。难点就在于如何控制凝固过程。

再次声明,我是学渣。求学霸科普!!!

再说加工成型。现代航空发动机主要零部件(注意,是主要零部件)都是一次成型。拿单晶体来说,凝固完成就是一个精度完全符合要求的零件。什么精密铸造,什么数控加工,什么乱七八糟的五轴联动那都是浮云。当然有些加工成型技术我们还是有的。

一篇关于一次成型的小文章。请点击http://www.haoshulou.com/Hao/247/138113.html

当然结构也很重要,因为只是非常少的知道一点,我不敢瞎说。结构和材料就像人的两条腿,一条很长,一条很短,跑不动的。至少这两条腿得差不多吧?

我大学学的是材料成型及控制工程,大学期间没有好好学,所以非常浅显的知道一点。我是学渣,求学霸科普!!!应该是求大神科普!!!!(学霸估计也说不太明白)


航空发动机不懂,就用汽车发动机来举例吧,不管什么品牌的发动机,就算不会创新,依葫芦画瓢,也不是多大的难事,再精密的机加工只要用上精密机床,只不过是费时费力费钱,也不是多大问题。问题是看不见的东西,比如说,气缸是由缸体缸套活塞活塞环等组成,当然缸套与活塞密闭越精密越好。可是各部件体积不同,受热不均匀,热胀冷缩也不同,不同温度下配合精度怎么保证?如何保证零部件在长时间的高温高热高速下的高耐磨损性?

这些东西,没有办法模仿抄袭,只能自己摸索。

再一点,材料搞出来了,怎么运用?科技转化也是一个大问题。很多高校和研究结构的研究成果都空摆着,没能转化。

就算所有材料工艺问题都解决了,管理也是一个问题,同样的发动机,原装的和组装的质量区别不用多说了吧?

决定一桶水的容量,不是由最长的板决定的,而是取决于最短的那块板。


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