厲害！航空發(fā)動(dòng)機(jī)如何頂住2000℃的“烤”驗(yàn)？

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒室內(nèi)的最高溫度可是高達(dá)2000℃左右。那么，在如此難以形容的高溫下，發(fā)動(dòng)機(jī)是如何頂住“烤”驗(yàn)的呢？秘訣倒是有幾招：

第一招：修煉“金剛不壞之身”

眾所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī)，其原理就是將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，能承受的溫度越高，產(chǎn)生的推力就越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也就越高。據(jù)研究，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度每提高 100 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比就能夠提高10%左右。

面對(duì)不斷攀升的溫度需求，修煉一副“金剛不壞之身”才是發(fā)動(dòng)機(jī)安身立命的根本。在過(guò)去幾十年里，航空專家們一直在著力研制新型耐高溫材料，從鍛造合金發(fā)展到常規(guī)鑄造合金，再?gòu)亩ㄏ蚰毯辖鸢l(fā)展到單晶合金，發(fā)動(dòng)機(jī)材料的使用溫度得到很大提升。

以渦輪葉片為例，20世紀(jì)50年代，高溫合金憑借較優(yōu)異的高溫使用性能全面代替高溫不銹鋼，使渦輪葉片使用溫度有飛躍性的提高，達(dá)到了800 ℃水平。20世紀(jì)60年代，由于真空冶煉水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸開(kāi)始成為渦輪葉片的主選材料。而后，定向凝固高溫合金通過(guò)控制結(jié)晶生長(zhǎng)速度、使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，改善了合金的強(qiáng)度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，并且基本消除了垂直于主應(yīng)力軸的橫向晶界，進(jìn)一步減少了鑄造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷，使用溫度達(dá)到了 1000 ℃水平。

20世紀(jì)80年代，單晶合金渦輪葉片定向凝固技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其耐溫能力、熱疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固合金有了顯著提高，很多先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了單晶合金用作渦輪葉片。如今，單晶合金已發(fā)展到第五代，合金的承溫能力不斷提高。

第二招：挖空心思降“心火”

盡管高溫材料研究取得了很大成就，但還是無(wú)法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)展對(duì)渦輪前溫度的要求。為了化解這個(gè)矛盾，發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件開(kāi)始引入冷卻系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝等方面挖空心思自我降溫。如高壓渦輪，由于渦輪進(jìn)口壓力高，在級(jí)氣動(dòng)負(fù)荷高、離心力負(fù)荷高、溫度高的情況下，通常會(huì)采用將壓氣機(jī)壓縮后的幾百攝氏度的“低”溫空氣引入內(nèi)腔復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的空心葉片。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，先后發(fā)展出了對(duì)流冷卻、沖擊式冷卻、氣膜冷卻、發(fā)散冷卻等方式。其中，對(duì)流冷卻是最簡(jiǎn)單的冷卻方式，最大冷卻效果僅可達(dá)250℃左右；沖擊冷卻，又稱為噴射冷卻，作為對(duì)流冷卻的一個(gè)分支，效果卻高出好幾倍；氣膜冷卻是一種在被冷卻的空心渦輪葉片表面上通過(guò)小孔排氣的冷卻方式，是現(xiàn)代渦輪高溫部件冷卻的主要方法；發(fā)散冷卻又稱發(fā)汗冷卻，冷卻空氣從葉片內(nèi)腔通過(guò)葉片壁面上無(wú)數(shù)微孔滲出，就像出汗一樣，是一種新的渦輪冷卻技術(shù)。而今，由對(duì)流、沖擊、氣膜三種冷卻方式相結(jié)合的復(fù)合冷卻，被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。

但不論是哪種冷卻方式，它在改善渦輪葉片工作環(huán)境的同時(shí)，也使得渦輪葉片結(jié)構(gòu)、工藝變得更加復(fù)雜。那些迷宮一樣的冷卻通道，在一定程度上就是降“心火”的關(guān)鍵。如果渦輪葉片的冷卻效果能夠多提高100℃，渦輪前溫度就能多提高100℃，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和推動(dòng)比進(jìn)一步提高。

第三招：套上“消防防火服”

面對(duì)上千攝氏度的高溫，赤膊上陣的“金剛不壞之身”也烤得讓人心疼。為了能讓發(fā)動(dòng)機(jī)保持持久的戰(zhàn)斗力，置備一身“消防防火服”是非常有必要的。如在發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的渦輪盤(pán)、導(dǎo)向葉片和工作葉片的表面涂覆一層高溫防護(hù)涂層。

目前，航空高溫防護(hù)涂層的發(fā)展已經(jīng)歷了四代，第一代鋁化物涂層、第二代改性鋁化物涂層、第三代MCrAlY包覆涂層與第四代熱障涂層等。作為第四代防護(hù)涂層的代表，熱障涂層是目前防護(hù)性能最佳、應(yīng)用前景最好的表面防護(hù)涂層之一。熱障涂層是一層陶瓷涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，對(duì)于基體材料起到隔熱作用，可以降低基體溫度，從而使渦輪葉片能在更高的溫度下運(yùn)行。

高性能的熱障涂層，是英美發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命遠(yuǎn)超其他國(guó)家同類發(fā)動(dòng)機(jī)的“不傳之秘”。有了高性能熱障涂層，以往壽命200到600小時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，工作壽命可以延長(zhǎng)2-3倍，工作溫度也能提高上百攝氏度。

在“沒(méi)有最高只有更高”的溫度追求下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)絕對(duì)稱得上是直面高溫的“勇士”。而這種無(wú)所畏懼的勇氣正是來(lái)源于所有熱愛(ài)航空發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)的人們，是他們用智慧和汗水、用生命和時(shí)間給予了發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)壯的身體和可靠的保護(hù)。