噴氣式發(fā)動(dòng)機的工作特點(diǎn)是高溫、高壓、高轉速、高負荷。發(fā)動(dòng)機燃氣溫度越高,發(fā)動(dòng)機推力越大;通過(guò)發(fā)動(dòng)機的空氣流量越大,發(fā)動(dòng)機推力也越大。在噴氣式發(fā)動(dòng)機中,最關(guān)鍵的壓氣機、燃燒室、渦輪組成發(fā)動(dòng)機的核心機。渦輪驅動(dòng)壓氣機以每秒上千轉高速旋轉,進(jìn)入發(fā)動(dòng)機的空氣在壓氣機中逐級增壓,多級壓氣機的增壓比可達25以上。在渦扇發(fā)動(dòng)機中往往采用雙轉子壓氣機,由高壓渦輪和低壓渦輪分別以最佳的轉速驅動(dòng)高壓壓氣機和風(fēng)扇,以達到更高的增壓比和工作效率。
增壓后的空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機燃燒室,與燃油混合、燃燒。要保持燃油火焰在以每秒100多米高速流動(dòng)的高壓氣流中穩定燃燒,就好像要在狂風(fēng)中保證手中火炬不滅一樣困難;同時(shí)要保護燃燒室火焰筒壁不被高溫燃氣燒蝕,光靠選擇耐高溫材料和耐熱涂層還不夠,還要通過(guò)燃燒室結構設計,采取冷卻手段,降低燃燒室筒壁溫度,保證燃燒室正常工作。
從燃燒室出來(lái)的高溫、高壓燃氣流驅動(dòng)渦輪葉片以每分鐘數千轉甚至上萬(wàn)轉的轉速運轉,通常渦輪前溫度要超過(guò)渦輪葉片材料的熔點(diǎn)。要讓渦輪葉片在這種極端苛刻的工作狀態(tài)下保持足夠的強度正常運轉,除了選擇新型耐高溫材料、采用定向結晶精密鑄造工藝外,還要通過(guò)精細設計制造出多通道空心渦輪葉片,利用氣膜冷卻降低葉片表面溫度,以便發(fā)動(dòng)機上千片葉片在極端苛刻的工作環(huán)境下滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機工作的需要。
航空發(fā)動(dòng)機綜合了多學(xué)科和多種專(zhuān)業(yè)的技術(shù)成果:噴氣式發(fā)動(dòng)機上大量使用高強度材料和耐高溫合金,零部件精度要求達到微米級,葉片型面復雜,燃燒系統和加力系統薄壁焊接零件多,大量使用定向凝固、粉末冶金、復雜空心葉片精鑄、復雜陶瓷型芯制造、鈦合金鍛造、微孔加工、涂層與特種焊接等先進(jìn)制造技術(shù)。
航空發(fā)動(dòng)機設計中有些地方是常人難以想像的。比如發(fā)動(dòng)機減重,設計的時(shí)候就要把材料用得恰到好處還不出問(wèn)題,幾乎達到毫克必爭的地步;因為通常發(fā)動(dòng)機增加1公斤重量,飛機就要增重5公斤。比如發(fā)動(dòng)機冷卻設計,要讓所用的材料在比熔點(diǎn)溫度還要高的環(huán)境里正常使用,就要采取許多綜合的技術(shù)措施。對一般人來(lái)說(shuō),18年確實(shí)太長(cháng)了;可是對發(fā)動(dòng)機設計、制造人員來(lái)說(shuō),要完成如此精細的設計、制造,大家在漫長(cháng)的18年里總是恨不得把一天當作兩天用。
正常的發(fā)動(dòng)機研制程序應該是通過(guò)預研建立技術(shù)儲備,開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的核心機,然后根據市場(chǎng)需要派生出渦噴、渦扇等多種型號發(fā)動(dòng)機,或是發(fā)展燃氣輪機用于陸用、船用等多種型號,一機多用,系列發(fā)展。壓氣機、燃燒室、渦輪等核心部件以及加力燃燒室、燃油系統、附件傳動(dòng)系統、控制系統都經(jīng)過(guò)驗證是先進(jìn)的、可靠的。這樣到型號發(fā)展階段,設計師才能在成熟、可靠的技術(shù)基礎上進(jìn)入整機研制,減少研制中的風(fēng)險,避免遇到顛覆性的問(wèn)題。
新中國航空發(fā)動(dòng)機事業(yè)是從修理起步的,曾經(jīng)長(cháng)期處于仿制階段,缺少對發(fā)動(dòng)機研制規律的認識,預研起步較晚,缺乏經(jīng)過(guò)驗證的可靠的技術(shù)儲備,因此在型號研制中經(jīng)常是遇到問(wèn)題再攻關(guān),這樣做不僅增大了研制風(fēng)險,往往還因為拖長(cháng)了研制時(shí)間、事倍功半,甚至失去發(fā)展時(shí)機,無(wú)果而終。
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