戰鬥機發動機溫度越高性能越高。渦輪葉片還要吹空調？

不知道大家有沒有想過這樣一個問題 那就是燒水的時候 水壺爲什麼不會被熱水燒化呢? 當然這個問題很好解釋 那就是水沸騰的溫度 遠遠達不到水壺常用的 玻璃以及金屬材料的熔點 自然也就不會把水壺燒化 而飛機所使用的航空發動機 尤其是戰鬥機使用的 小寒道比渦閃發動機 其內部溫度可以達到上千攝氏度 比如美國F-35戰鬥機 所使用的F-135發動機 它的內部溫度甚至會接近兩千度 那麼航空發動機 爲什麼不會被這樣的高溫所燒化呢? 今天咱們就來聊一聊這個問題 航空發動機之中 最重要的部件就是核心機 而核心機一般都有壓氣機 燃燒室以及渦輪所組成 壓氣機將來流空氣壓縮之後 送入燃燒室與燃料混合燃燒 然後繼續向後噴出 推動渦輪轉動 而這些從燃燒室進入渦輪的氣體的溫度 被稱爲渦輪進口溫度 這個溫度的高低 是評價一臺發動機夠不夠好的重要指標 渦輪進口溫度越高的發動機 往往效率越高 相關數據表明 渦輪進口溫度每提高一百攝氏度 發動機的推重比就可以提高百分之十 大兵這裏給大家舉幾個例子 美國F14 F15 以及F16所使用的F110發動機 渦輪進口溫度大概爲1476攝氏度 俄羅斯蘇27和蘇30所使用的AL31F發動機 渦輪進口溫度大概是1391攝氏度 法國陣風使用M882的渦輪進口溫度 達到了1576攝氏度 而我們開頭提到的F135 它的渦輪進口溫度 更是達到了誇張的1986攝氏度 這個溫度在目前的戰鬥機發動機之中屈指可數 如此高的渦輪進口溫度 意味着在進入發動機的燃料一樣多時 F135可以比其他發動機做更多的功 而F135發動機也藉此成爲了 目前世界上性能最強的發動機之一 那麼有什麼辦法能夠提高這個溫度數據嗎 其實是有的 而且非常簡單 前面咱們說了 這個溫度就是發動機燃燒室內的壓縮空氣 與燃料混合燃燒後所產生的燃氣溫度 那麼想要提高這個溫度 只要往燃燒室內注入更多燃料 或者吸入更多空氣就行了 這個道理相信玩過火的朋友們都懂 但是這裏就有了一個新問題 而正是這個問題限制了渦輪進口溫度的進一步提高 雖然提高渦輪進口溫度看起來很簡單 但是各位別忘了 這股高溫燃氣最後是要進入渦輪機的 如果隨隨便便把溫度提高到渦輪機無法承受的地步 那麼輕則發動機損壞 嚴重點便是機毀人亡 所以提高渦輪進口溫度的關鍵 不在於提高燃氣溫度本身 而在於渦輪葉片能否承受更高的溫度 而除了高溫之外 渦輪葉片還要面對其他的考驗 發動機在工作時渦輪葉片要急速的旋轉 從而把高溫燃氣之中的能量提取出來 舉個例子 普通客機發動機的渦輪葉片 轉速大概在每分鐘4000至5000轉 而戰鬥機發動機的渦輪葉片 每分鐘的轉速就要高達2萬至3萬轉 如此高的轉速帶來了極大的離心力 也就是說渦輪葉片在工作時 要同時面對極高的溫度和極大的拉力 如此惡劣的工作環境 自然就對渦輪葉片的性能提出了很高的要求 世界上所有有能力開發航空發動機的國家 無一不在想盡辦法提高渦輪葉片的強度和耐高溫性 縱觀世界航發的發展歷史 渦輪葉片所使用的材料 從一開始的高溫不鏽鋼 逐漸變成了高溫合金 直到目前 摻雜各類稀有金屬的高溫合金 已經成爲了製造渦輪葉片的主流材料 比如F22使用的F119發動機 據稱就使用了耐燃鈦合金 但是光提升材料性能是不夠的 目前最先進的單晶合金 它的極限耐受溫度也只有1000度左右 這對於航空發動機來說是遠遠不夠的 而且材料學的進展相比其他學科來說 也是偏慢的 根據相關統計 上世紀60至80年代 在渦輪進口溫度的提升中 材料相關的貢獻大概在50%左右 而進入21世紀之後 這一比例逐漸下降到了30% 剩下的70%則基本都是由 葉片冷卻技術所帶來的 這也讓如何更高效的給渦輪葉片散熱 成爲了目前航空發動機提升性能的重要方式之一 如果要問世界上最簡單的散熱方式是什麼 肯定有很多人回答噴水 沒錯 噴水確實是早期給渦輪葉片降溫的主要方式之一 但是頻繁的給葉片噴水 一是會降低葉片的使用壽命 二是會產生大量的黑煙 所以這種簡單粗暴的方式 就逐漸被淘汰了 目前給渦輪葉片降溫的主流方法有兩個 一個是給葉片塗上特殊的塗層 這種塗層被稱作熱脹塗層 通常使用高耐熱性 高抗腐蝕性 以及低導熱率的陶瓷材料 當然這種陶瓷材料 跟咱們日常用的陶瓷杯可不一樣 目前常用的熱脹塗層材料 主要是氧化儀穩定氧化膏YSZ 這是目前最成功 也是應用最廣泛的熱脹塗層陶瓷材料 但是這種材料 在使用溫度高於1200攝氏度時 會發生裂紋以及剝落現象 所以對這種塗層的改進 以及尋找性能更好的材料 一直是各國航空工程師的目標 除了熱脹塗層之外 還有一種給葉片降溫的方法 那就是給葉片吹冷氣 前面咱們說過 航空發動機的核心機 一般由壓氣機燃燒室 以及渦輪機組成 渦輪葉片承受的溫度 來自於燃燒室噴出的高溫燃氣 而燃燒室的高溫燃氣 則是壓氣機抽進來的壓縮空氣 與機載燃料混合燃燒產生的 那麼我們可不可以 把壓氣機抽進來的壓縮空氣 挪一部分出來 不進入燃燒室 直接進入渦輪機 用來給渦輪葉片降溫呢 雖然這些壓縮空氣的溫度 往往也高達一兩百攝氏度 但是相比動輒一兩千度的 高溫燃氣來說 還是算得上冷氣的 這些冷氣進入渦輪機之後 就可以帶走一部分熱量 從而給渦輪葉片散熱 但是這種方法還有一個問題 相信很多觀衆也能看出來 那就是這部分冷氣 其實相當於挪用了 原本用於燃燒的壓縮空氣的一部分 這自然會對發動機的效率產生影響 於是如何在減少冷氣流量的情況下 維持甚至加強葉片冷卻效率 以提升渦輪進口溫度 就成爲了提高發動機效率的關鍵難題 爲了解決這個難題 航空工程師們開始在渦輪葉片上打孔 通過這些表面的小孔 冷氣能夠進入中空的葉片內部 從而提高了冷卻效率 但是單單打孔還是不夠的 爲了進一步提高冷卻效率 氣膜冷卻技術誕生了 氣膜冷卻就是指 在葉片表面打一些特殊的小孔 冷氣在流經這些小孔時 會形成一層薄薄的氣膜 這層氣膜能夠有效地隔絕高溫燃氣 從而保護渦輪葉片 而氣膜冷卻的效率 與打孔的形狀以及位置排列都息息相關 當前廣泛應用於渦輪葉片的打孔方式 主要是異形孔 這些異形孔相比常規的圓柱孔 具有更好的冷卻效率 氣膜冷卻孔具有孔徑小 數量多 角度複雜等特點 傳統的機械加工方式基本無能爲力 目前主要使用的電火花打孔 電葉樹打孔 以及激光打孔等特殊加工方式 電火花打孔是目前最主流 也是最成熟的氣膜孔加工方式 加工速度較快 且不受材料硬度和韌性的限制 但是在導電性較差的陶瓷熱脹塗層上 難以加工 而且由於電火花打孔 無法避免微裂紋的產生 所以也無法用於單晶渦輪葉片的加工 而電葉樹打孔 則由於難以控制孔的形狀 以及電解液腐蝕葉片等問題 沒有成爲主流的氣膜孔加工方式 所以目前具有非接觸加工 加工質量最好 精度高 效率高 材料利用率高等等優點的激光打孔 成爲了世界各國研究的主流方向 但是氣膜孔的加工還面臨着一個問題 這個問題就是我們之前說過的熱脹塗層 到底是先塗塗層還是先打孔呢 如果選擇先打孔再塗層 就要放大打孔的孔徑 來彌補塗層導致的孔徑縮小問題 但是孔徑縮小的具體大小 是一件很難計算的事情 這就導致最後完成的氣膜孔 往往很難達成預先的效果 所以先塗層再打孔 是目前的發展趨勢 這也是激光打孔方式 成爲主流研究方向的原因之一 隨着航空發動機 推重比需求的不斷提高 未來的航空發動機的渦輪進口溫度 一定會進一步升高 而這就要求渦輪葉片的材料和冷卻技術 也要不斷進步 氣膜孔的新構型 以及新的加工技術 也必須不斷發展 二戰之後 燃氣渦輪發動機逐步取代了活塞發動機 成爲了航空機的主流選擇 而在戰鬥機領域 目前所使用的主流小寒道比渦扇發動機 目前已經發展到第五代 而其中的佼佼者就是F35 所使用的F135發動機 它的渦輪進口溫度 已經達到了接近2000攝氏度 而未來的第六代軍用航空發動機 已經箭在弦上 2016年 美國空軍就與GE公司和普惠公司 簽署了關於第六代發動機的研發合同 據稱 新型發動機將會使飛機活動範圍 擴大30%以上 燃油效率提高25% 而發動機推力也會增加10%以上 這就意味着第六代發動機的渦輪進口溫度 會進一步提升 而爲了應對 這將會突破到2000攝氏度以上的高溫 渦輪葉片本身和它的冷卻技術 都需要進一步的升級 我是大斌 我們下期視頻再見