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時間:2019-02-12 11:47來源:博士大頭哥哥 作者:中國航空
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遍觀全球航空發動機格局,中國尚需努力

 

槳扇發動機的螺旋槳直接裝在發動機中心的主軸上。因此螺旋槳轉速與發動機轉速相同,噪音也十分巨大。

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槳扇發動機也有螺旋槳在后邊的。

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槳扇發動機也有螺旋槳在后邊的。

渦輪軸發動機

渦輪軸發動機顧名思義就是使用軸來傳輸動力。這種發動機一般適用于并不需要直接提供空氣推力的航空器,比如直升機。

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直升機的傳動原理其實非常復雜,但這個簡單的原理圖更容易理解渦輪軸發動機的使用方式。

直升機的渦輪軸發動機就是將發動機的功率,通過傳動 軸輸送給主旋翼,再由主旋翼轉動提供升力,因此這與一般活塞式發動機的輸出類似,有很多坦克和軍艦也使用渦輪軸發動機,比起一般的柴油機和汽油機,渦輪軸發動機重量更輕而功率更大,是非常不錯的動力源。

遍觀全球航空發動機格局,中國尚需努力阿帕奇直升機機身背部的兩個方筒就是它的兩臺渦輪軸發動機。

沖壓發動機

 

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(a)渦噴發動機(b)沖壓發動機,可以看到沖壓發動機省去了一系列的壓氣機和渦輪結構,變得更加輕巧,但只有高速下可以正常運轉。

沖壓發動機從工作原理來說和渦噴發動機的一樣的,但實際上由于省去了所有渦輪結構,沖壓發動機又不能歸入燃氣渦輪發動機的范疇。

沖壓發動機去掉了前部的一連串壓氣機結構。因為,飛行器飛得越快,迎面而來的空氣就越快,當達到高超音速時,空氣自然被壓入進氣道,并形成高氣壓。高壓空氣進入燃燒室,混入燃油,劇烈燃燒并向后高速噴出以得到動力,與渦噴發動機原理無異。需要說明的是:沖壓發動機只有在非常高的速度下才可以運行。

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目前投入使用的最快的飛機SR-71黑鳥高空高速偵察機

目前成功使用的例子是美國的超高音速偵察機SR-71“黑鳥”,黑鳥可以達到3倍音速,在3倍音速的狀態下,它的發動機內部結構可以通過調整結構,改變為沖壓發動機模式運行。

現代工業皇冠上的明珠

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航空發動機和地面燃氣輪機被譽為現代工業的“皇冠”, 是國家綜合實力的重要標志之一。提高航空發動機的性能就必須提升其關鍵部件——渦輪葉片的性能。渦輪葉片由于處于溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件,并被譽為“皇冠上的明珠”。 渦輪葉片也稱動葉片,是渦輪發動機中工作條件最惡劣的部件,又是最重要的轉動部件。

先進航空發動機的燃氣進口溫度達1380℃,推力達226KN。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用,葉片部分承受拉應力大約140MPa;葉根部分承受平均應力為280~560MPa,相應的葉身承受溫度為650~980℃,葉根部分約為760℃。未來發動機葉片的鑄造工藝直接決定了發動機的性能 ,也是一個國家航空工業水平的顯著標志。

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除了高溫條件,熱端葉片的工作環境還處在高壓、高負荷、高震動、高腐蝕的極端狀態, 因而要求葉片具有極高的綜合性能,這就需要葉片采用特殊的合金材料(高溫合金),利用特殊的制造工藝(精密鑄造加定向凝固)制成特殊的基體組織(單晶組織), 才能最大可能地滿足需要。復雜單晶空心渦輪葉片已經成為當前高推重比發動機的核心技術,正是先進單晶合金材料的研究使用和雙層壁超氣冷單晶葉片制造技術的出現, 使單晶制備技術在當今最先進的軍用和商用航空發動機發揮關鍵作用。目前, 單晶葉片不僅早已安裝在所有先進航空發動機上,也越來也多地用在了重型燃氣輪機上。

渦輪葉片制造技術

渦輪葉片的發展經歷了細晶強化、定向凝固和鑄造單晶三個階段。

半個多世紀以來,渦輪葉片的承溫能力從上世紀 40 年代的 750℃提高到了 90 年代的 1500℃左右再到目前的2000℃左右。而鎳基高溫合金單晶葉片與定向凝固葉片相比可提高工作溫度 25℃~50℃,而每提高 25℃從工作效率的角度來說就相當于提高葉片工作壽命 3 倍之多。應該說,這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設計和加工以及表面涂層各方面共同發展所做出的共同貢獻。

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現代航空發動機渦輪前溫度大大提升,F119 發動機渦輪前溫度高達 1900~2050K,傳統工藝鑄造的渦輪葉片根本無法承受如此高的溫度,甚至會被熔化,無法有效地工作。單晶渦輪葉片成功解決了推重比 10 一級發動機渦輪葉片耐高溫的問題,單晶渦輪葉片優異的耐高溫性能主要取決于整個葉片只有一個晶體,從而消除了等軸晶和定向結晶葉片多晶體結構造成晶界間在高溫性能方面的缺陷。


 
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