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帖子主题:航空发动机有多难造?里面1600摄氏度在烧,外面一点都不烫手

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航空发动机有多难造?里面1600摄氏度在烧,外面一点都不烫手

出品:科普中国

制作:川陀太空

监制:中国科学院计算机网络信息中心

川陀太空 航空发动机是各种航空器的动力来源,也是现代工业皇冠上的明珠。之所以这么称呼,是因为航空发动机的研制涉及到诸多学科,比如热能动力、材料,如果材料领域无法达到要求,再优秀的设计也无济于事。举个例子,普惠公司的F119发动机上使用的CMSX-10材料比二代产品提高了60度左右,用于压缩级定子使用的耐热阻燃钛合金加入了特定比例的Cr和C元素,根据普惠资料,材料上的进步让F119发动机在涡轮进口温度上实现了1900K的超越,从而得到的就是更大的推力。

航空发动机有多难造?里面1600摄氏度在烧,外面一点都不烫手

目前大部分航空发动机都是属于燃气涡轮型,民用客机的发动机突出的安全性和可靠性,而军用发动机在这个基础上还追求更大的推力,以及开加力时的最大推力。由此可见,航空发动机领域中最强者必然是军用航发,而军用发动机算是人类科技的巅峰之作。具备研发、制造和生产航空发动机的国家一般都不轻易出口自己的技术,只出口发动机成品,有的甚至连维护都需要送回原产国。

复制拆解难

航空发动机难以制造的特点首先体现在复制拆解难,一款汽车、航空器的外形可以通过反向测绘进行复制,汽车就不用说了,复制起来更是信手拈来。航空器外形复制也是有的,比如图-160和B-1B轰炸机,但发动机的复制如果没有图纸介入,那根本是不可能的。比如目前波音737客机上使用的主流发动机CFM-56系列发动机,从1974年首次运转到今天,一共生产了超过2万台,波音、空壳主打的单通道客机几乎都用了。

航空发动机有多难造?里面1600摄氏度在烧,外面一点都不烫手

拆解CFM-56时就会发现,发动机叶片上指甲盖大小的地方覆盖着许多小气孔,如果没有图纸定位,完全没法对其进行复制。一旦气孔打的位置不对,会直接影响叶片散热,那么复制品的整体性能就下降了。GE公司凭借CFM-56的技术基础,研制了覆盖各种机型使用的发动机,与普惠展开直接竞争。

材料制造难

航空发动机其实也很简单,以经典的CFM-56发动机为例,包括低压压气机、九级高压压气机、一级高压涡轮和四级低压涡轮,中间还有一个环形燃烧室。但是就是这些结构,工作的温度、压力环境不一样,就说明其使用的材料是不同的。以涡轮叶片为例,工作环境上千摄氏度,一分钟数万转,使用多种金属混合制造,而且比例也各不相同。

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因为在靠近燃烧室的叶片承受的温度较高,材料也用得耐高温,稀有金属元素的比例就不一样。如果全部使用统一耐高温材料,那么单价就高了,经济性就差,对于商业化运营的民用客机发动机最好是又便宜又好用。

同理,除了涡轮叶片之外,发动机各个部件所用的材料也是不一样的,波音737使用的CFM-56发动机涡轮为高温合金打造,其他部分有的使用了复合材料。目前比较流行的是树脂基复合材料,普惠的F-119外涵道机匣就用这个材料,可耐400摄氏度温度,而成本也可以得到控制。

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加工精度高

如果有了先进的材料和图纸,也不代表能够制造出一台优秀的航空发动机,因为加工工艺是最后的拦路虎。一台CFM-56发动机航空发动机的风扇直径仅为1.55米,长度为2.5米,如此小的空间内要产生86千牛的推力,可想而知其加工工艺有多么复杂。

从小的方面看,以目前主流单晶涡轮叶片为例,精铸工艺要求是0.1毫米的误差,这样才能保证每个叶片都可以正常工作。要让各种合金材料放在一起加工,就需要掌握高温合金的加工技巧和焊接工艺。同时,发动机转子、叶片在工作时处于高速运转,工艺不到家就意味着发动机磨损很快,寿命不长,直接影响经济性。

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工艺的高要求同时也促进航空发动机运行的效率,还是以叶片为例,GE公司搞了一种无缝对接式叶片,在发动机叶片外端有一个特殊材料制成的软体,在叶片工作时可与外环结构无缝对接,提高发动机的工作效率。这样的软质材料对加工工艺的要求是非常高的,不仅要保持稳定性,还要经济、不用太多的保养。不然提高发动机效率的同时,也加重了地勤的负担,在经济帐上表现不够明显。

综上,从逆向测绘、材料和加工工艺角度看,航空发动机应该说是工业工程领域的皇冠,是一国科技实力的标识。

航空发动机有多难造?里面1600摄氏度在烧,外面一点都不烫手

西方发达国家都把航空发动机当成自己的招牌,美国、俄罗斯自不用说的,发动机领域这两家的技术沉淀无人能够撼动,英国在自废武功之后,仍然有罗罗这样领军企业。中国的发动机工业目前仍然处于追赶阶段,随着太行正式列装量产型歼10B,优于CFM-56的新一代CJ1000A涡扇发动机开始研制,中国的航发实现了小步快跑。

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      2016/9/20 8:59:46

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      • 军衔:陆军上尉
      • 军号:3377391
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      发动机外面有个隔热罩,冷空气从中间流过,保证外壳温度不会太高

      这样就可以降低飞机内部环境要求,飞机内部无需再对发动机做环境控制。

      不烫手和材料有个毛关系,没这个照样烤肉

      2016/9/20 10:18:30

      网友回复

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      别小看汽车!仿制充其量只能做个外形。变速箱和发动机,里面的零件,要是不知道成分,不知道热处理工艺,开不上三四千公里,就完了。悬挂上的弹簧,也是一样。

      2016/9/22 8:30:47
      • 军衔:陆军上尉
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      发动机外面有个隔热罩,冷空气从中间流过,保证外壳温度不会太高

      这样就可以降低飞机内部环境要求,飞机内部无需再对发动机做环境控制。

      不烫手和材料有个毛关系,没这个照样烤肉

      2016/9/20 10:18:30

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