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        钨耐高温比铼强得多,为什么发动机叶片不用钨,却用稀有金属铼?

        发布时间:2021-01-03 12:51:25  来源:  作者: 查看:

         说起航空发动机的叶片,那个工作环境一个恶劣,比如F22的御用发动机F119涡前温度是1703℃,这个高温将融化我们常见的金属,因此大家首先就想到了熔点奇高的金属钨,它的熔点高达3422 ℃,对付1703 ℃绰绰有余,但从来都听说过发动机叶片中使用了钨合金,为什么会这样?


        涡轮发动机的工作条件到底有多恶劣?

        现代飞行器的发动机种类繁多,比如活塞式发动机(运动飞机)、涡轴发动机(直升机),涡轮喷气和涡轮风扇发动机(战斗机),涡扇发动机(不带加力,无人机和轰炸机以及客机等)!


        每种发动机工作条件与状态都不一样,本文就着重讨论涡喷和涡扇,因为这两种发动机结构类似,工作条件也类似,但前途却大相径庭的发动机!

        发动机的结构

        喷气式发动机和其他类型的发动机结构有些不一样,乘坐过客机的朋友能发现,从发动机前部向后张望,能看到后面的景物,当然这并不是说喷气式发动机前后是贯通的,我们看到的只是从外涵道叶片缝隙看到的后半部分!


        涡扇发动机结构

        涡扇发动机结构一般外涵道和内涵道两部分组成,外涵道就是一个大风扇和整流叶片构成,说的简单点就是一个转速超级快、叶片很多的大风扇!


        而整台发动机的核心结构则是内涵道,从前到后有低压压气机,、高压压气机以及高压涡轮和低压涡轮等结构组成,从前到压力和温度都是逐渐上升的,到燃烧室和高压涡轮部分,高温和高压达到最高,最后在低压涡轮膨胀最后做工后从发动机后方喷出!


        涡喷发动机的差异是没有外涵道,而战斗机的涡喷和涡扇发动机差别则还有一个加力燃烧室,客机和无人机则不需要加力燃烧室!


        没有外涵道的涡喷

        发动机叶片的耐温要求

        从发动机的结构来看,我们可以很清楚的知道发动机的叶片从前到后的温度是不一样的,对耐温要求最低的是外涵道的风扇叶片,那个几乎没有高温要求,高强度碳纤维叶片都能满足要求,比如波音787的罗罗(罗尔斯罗伊斯)GEnx涡扇发动机,这是三转子高涵道比的涡轮风扇发动机,它有一个直径2.7米的外涵道风扇直径!


        它的外涵道风扇就是复合材料,因为复合材料叶片生产比金属材料更方便,重量也更轻,比如GEnx发动机的外涵道风扇叶片为18片,每片能减轻1千克,减重效果也不小!当然这个位置的叶片没有高温要求,也就是一个超级大电扇的工作环境


        高温开始则是在低压压气机,大家都知道随着压力增加,气体内能增加,温度升高,比如波音787的另一款引擎瑞达1000(罗罗公司出品)的总压比52:1,升温非常可观!但在高压涡轮前还有一个燃烧室,这里才是真正恶劣的环境,比如F22御用发动机的涡前温度为1703℃(客机涡扇发动机涡前温度没有那么高),绝大部分金属在这里就傻眼了!


        发动机叶片的为什么不用超级耐高温的金属钨?

        在发动机使用的金属材料中,我们从来都只听过来金属铼,却很少听说过金属钨,但铼的熔点只有3180℃,远低于钨的3422℃,为什么宁可用不耐高温的铼却不用更高熔点的钨呢?


        除了耐高温外,发动机叶片还有什么要求?

        除了高温外,首先就是发动机叶片的超高转速,涡扇发动机1.5-1.5万转/分,涡轴的转速则更高,所以这些叶片受到的离心力是非常强的,另外很多涡扇发动机装配对象是军用飞机,这些飞行器有一个机动性要求,过载能达到10G以上!


        有很多朋友可能认为飞行员能承受的极限不超过9G,但这并不表示战斗机只能飞9G,它只会比这个过载更高,首当其冲的就是这个比陀螺转的还快的发动机风扇,这些叶片保持上万转速度时还能高过载使用!


        最后发动机叶片和机匣之间的气密密封,发动机静止状态时从前到后气流除了叶片稍微阻挡外,就是“穿堂风”,但发动机一启动气流只能从前到后,无法反着回来,这个关键就是叶片和机匣之间的间隙只有0.1mm,一旦涡轮高速转动后,就构成了一道空气墙,从前到后经过多级压气机,气压越来越高,最后送到燃烧室喷入燃油,点燃,再推动高温涡轮、低温涡轮,为整机提供动力!


        在这些压缩机叶片中,温度越来越高,而发动机叶片与机匣的间隙却只可能小,不可能变得更大,那么很简单,这些发动机叶片一点点温升变形,就会和机匣摩擦打火,发动机就爆了!


        当然还有一个要求则是高温下氧化以及抗蠕变性能,其中抗蠕变性能是材料在恒载下(外界载荷不变)的情况下,变形程度随时间增加的现象,而钨在高温下的抗蠕变性能不及铼,不过有一点要提醒一下的是,发动机叶片从来都不是单质金属,而是高温合金!


        一般的发动机叶片都是单晶镍基合金,属于高温合金。这种合金里含有钨、钼、钌、钽、钴、铼这些稀有金属,加入金属铼,会提升这些合金的高温抗蠕变性能,特别是发动机启动后很快就从环境温度上升到1600-1800度,熄火后又从这个高温冷却到室温,只有极少数合金才能对抗如此环境。


        变态的散热方式

        尽管这些合金非常耐高温,但为了提高发动机的效率和推重比,还是会不断提高燃烧室的温度,因此这会导致发动机高温涡轮叶片工作条件越来越恶劣,尽管距离融化还早,但发动机叶片工作温度恶化,它的各项性能降低是必然的!


        当然有两种选择,一种是使用更耐高温的合金,另一种就是用技术来给发动机叶片散热,即使更高的涡前温度,也能让叶片工作在合适的温度范围内,一般就会利用气膜冷却孔来辅助散热,而叶片本来就已经是空心,在上面开孔难度很大,早期用纳秒或者电火花、电液束加工技术,但现在都是用飞秒激光来加工!


        气膜冷却的涡轮叶片的内部结构

        现代航空发动机技术难度,甚至比火箭发动机更难!你看全世界造火箭的一大堆,但真正能生产高性能涡轮涡扇发动机的国家屈指可数!

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