美国F22战斗机的发动机空心叶片制造机密技术
美国F22战斗机的发动机空心叶片制造机密技术 6park.com 6park.com 6park.com 发动机上的材料太多,涉及各种合金,我只说说涡轮叶片,工作的时候,这些叶片就是像电风扇一样在飞快旋转。这些叶片需要在很高的温度下旋转,这个温度越高越好,至少也要1500℃,在这个温度下,所有金属涡轮叶片就已经变成钢水了。 6park.com 6park.com 发动机的核心技术是材料,但又不仅仅是材料。关于耐高温材料其他回答都说了,但除了材料本身耐高温外还有叶片的散热设计,叶片不是实心的,是这样的,通过气流在叶片表面形成一层冷空气膜来保护叶片,降低叶片温度。 6park.com 6park.com 专业一点地描述,涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗,首要的是提高增压比、提高热效率,涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标。例如,第三代苏27的AL-31发动机的涡轮前温度是1665K,而第四代F-22的F-119发动机将这个指标提高到了1977K;AL-31的涡轮前温度尚在普通钢材熔点之下,但F-119的已超出约200度。要在这样高的温度下正常工作,F-119的涡轮采用了第三代镍合金空心叶片,以抵抗1900度的高温,而实际上在这种温度下任何金属将化为液体。 6park.com 6park.com 空心叶片如何抵抗1900度的高温,必须使用气膜冷却技术,在此很难展开描述,只能说一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔(用于进气冷却),还要控制合金晶体生产连续一致,这需要极高超的精密铸造工艺。 6park.com 涡轮叶片气膜冷却技术 6park.com 80年代美工程师W研究涡轮风扇喷气发动机不顺利,因为新型飞机发动机动力要大,就必须压力大,飞机发动机的部件必须耐高温大于1200—1400度,通常耐800度以上高温的材料就不容找到,特别是发动机的关键部件:涡轮风扇上的叶片。所以来到中国度假,顺便来中国交流,受到同行接待,期间到中国云南看了少数民族表演,有一个节目引起了W的很大兴趣,那就是赤脚走火山节目,就是光着双脚,在灼热的炭火上来回走,跳舞,看得W很是惊奇,问中国专家,中国专家很不屑,就告诉他表演这种节目的科学原理,“人脚上有很多排汗的毛孔,走在炭火上运动,汗液不断蒸发,形成一层气体,隔绝了热量,所以脚不会烫坏”。W陷入了沉思,突然跳起来,高喊:我知道了,我知道了,我知道了。中国专家莫名其妙。 6park.com 后来,W回到实验室,在风扇喷气发动机的核心涡轮叶片上钻出许多的小孔,小孔分布呈鱼鳞状。叶片腔内有一大孔径与小孔相通,通过其设计的系统,高速气体不断从涡轮风扇上的叶片小孔流出,形成一层气膜,同时又带走了大量的热。使得涡轮风扇始终工作在800度以下的环境,虽然其发动机燃烧室温度高达1500—1600度。这样美F-22猛禽的飞机发动机“三高”—高温、高压、高稳定性而得名。(其实这是西方严密封锁的“气膜冷却技术”的一部分),也就是中国专家口中的“冰勺舀开水”技术机密。 6park.com 苏联的发动机就差多了,虽然他们使用了昂贵而稀有的材料,改进结构和工艺,但还是问题多多。 6park.com 2、气膜孔加工技术: 6park.com 随着航空发动机涡轮前温度的不断提高,发动机热端部件(如高压涡轮工作叶片、导向叶片,)都广泛采用了气膜冷却技术,这些气膜冷却孔的孔径一般在0.25~1.25mm之问,每片叶片有数十至数百个这样的气膜冷却孔。而且发动机核心涡轮叶片是整体铸造的,用传统的机械方法已无法加工这些数万个气膜冷却孔及内部气流管道空腔。 6park.com 涡轮叶片就象一个迷宫,里面有数不清的管道,传统的机械是无法加工的。所以涡轮叶片是整体铸造的,包括里面的气流管道及气膜冷却孔。 6park.com 为什么???因为涡轮叶片是采用金属反铸造法。比如拍黑白照片,先是底片与照片相反,然后再洗出正常照片。同理,先用电脑数控机床将金属(铁)加工出 气流管道及气膜冷却孔填充空间 实物,然后再用镍合金溶液浇铸 空间 实物形成涡轮叶片,然后用 强酸 等溶液将气流管道及气膜冷却孔等铁金属填充空间 实物腐蚀掉,最后留下的就是不能被酸液腐蚀的镍合金涡轮叶片。
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