治好中国航空业的心脏病为什么这么难?
#航空发动机##中国航空##中国航空工业##发动机事航天航空心脏#
发动机是飞机的心脏。全国人民非常关注的就是两个“心”:一个是芯片;一个是飞机的心脏——发动机。这两个“心”的问题不解决,我们就难以从一个大国成为强国。造不出来不出自己的心脏,总是长期赖于国外,这也不是一个强国,甚至是一个大国的所为。
做发动机为什么这么难?为什么中国长期以来做不出来民用发动机?北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠彬,主讲《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》,为你揭秘中国航空发动机叶片涂层材料研制的突破过程。
航空发动机难在哪里?
1
发动机需要非常高的安全性和可靠性
现在的一台民用发动机,要求稳定地工作三万小时,不能出任何故障。将来要超过三万小时,其中,有个两个实验是发动机必须要做的。
第一个实验叫抛鸟实验。
在航空飞行中,全球每年因鸟撞事故而造成的损失多达几十亿美元。据中国航空报报道:在2014年10月中国首次成功完成某型飞机发动机整机吞鸟试验。实验首次采用目测三点法、激光对准法,保证了鸟体实际撞击部位与设定点的偏差小于30mm;首次使用高速相机,实现了试验速度测量误差小于0.01%。
航空发动机进行“抛鸟”试验
第二个实验叫吞冰实验。
吞冰片试验目的,主要是为考核某型发动机对吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹的能力,在地面试验台上模拟飞行环境对发动机进行专项考核试验。一分钟一吨的冰要打到发动机里面去,发动机叶片要完好无缺。发动机如果不行的话谁敢坐飞机。在空中肯定有鸡蛋大的冰雹,吞进去的话发动机不能说停下检修,叶片打碎了,发动着火了还能飞吗?这两项实验证明发动机具有高度的安全性和可靠性。
航空发动机进行“吞冰”试验
2
发动机的叶片承载巨大的离心力
发动机的转速要达到10000多转,每分钟15000-16000的转速,发动机如果转动叶片,它承受的离心力相当于叶片本身的10000倍。有人说相当于挂着几台桑塔纳,而且这个时候发动机的叶片是在极高的温度下运转的。这就是它的第二个难点,发动机的叶片承载着巨大的离心力。
3
发动机的温度极高
现在发动机用的材料绝大多数都是金属材料。军用发动机燃烧室的工作温度已经超过了2000K,K(开尔文)和C(摄氏度)相比差了273度。民机发动机燃烧室的温度也要达到1800到1900K。而发动机所用的镍基高温合金它的初熔点大概也就在1300多度,加上273也不到1600K。所以说所有金属材料的叶片,在发动机燃烧室里边,它是处于熔化状态的,而且它还要挂着10000倍的离心力,你想想它是不是做到了极致。
还没完!休息5秒钟,插播一则广告
还想了解更多飞机?
《航空知识》资深编辑倾力编译
4
极致的加工精度要求
或许大家听说过层流和湍流,当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,或称为片流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,称为湍流。发动机飞得很高,然后前面有风扇,压气机把风吹到燃烧室,相当于17级的风速,这个时候要确保火焰在里边稳定地燃烧,这对于搞空气动力学的也是一个极限,设计不好吹偏了把旁边都烧掉了。发动机由上万个零件组成的,加工精度要达到微米级,甚至有些个别的部件要达到纳米级,要确保每个零件都万无一失,所以发动机这个产品有多么精致。
让中国飞机发动机穿上自己做的衣服
1
发动机的核心:“一盘两片”
发动机最核心的核心就是“一盘两片”。“盘”就是涡轮盘,涡轮盘就是把工作叶片插上去以后带动它转动的。“两片”一个是导向叶片一个是工作叶片。导向叶片就是火焰冲出来的时候导流,然后才能吹着工作叶片转动。它是首先接触火焰的,紧接着就是工作片就是转动的,这是里面最难攻克的。
三项技术:冷却、合金的温度、加上涂层
发动机的叶片的工作温度已经远远超出了合金的熔点,怎么能让它不化呢?第一个需要冷却,中间把它做成空心的,冷空气吹进去然后冷却它,在外边形成个保护膜来保护它,因为它有一个温度梯度在里边,表面的温就降很多。第二件事让合金的承温能力继续提高。第三件事给它穿上一层衣服。深色的叶片,就是没有穿衣的叶片,白的叶片就是穿了一层衣服的叶片。
穿了什么衣服呢?一个热障涂层,叫 Thermal Barrier Coating(TBC),是应用于热端部件表面的高温防护陶瓷涂层。通过把合金与其工作附近的超高温热源隔离,来降低工件表面温度,从而提高器件的工作温度和寿命。这个陶瓷衣服涂上去难度大了,因为大家知道陶瓷很脆,金属的热膨胀系数很大,金属膨胀了陶瓷没有热膨胀,或者膨胀很小一下就把它崩掉了。所以要想穿上这层衣服非常难。
不带陶瓷涂层叶片(左)和带热障陶瓷涂层叶片(右)服役后表面状态对比
3
材料的进化史:等轴晶体、定向晶体、单晶体
解剖航空发动机的材料的话,它用了哪些材料呢?如下图,蓝色的是钛合金,红色的是镍基合金,然后黄色的主轴轴承用的是钢,然后还用了少量的铝和复合材料。90%以上都是用的金属材料,金属材料有个特点,它在温高的情况下,它的强度会大幅度地降低。
比强度(Specific Strength),钛合金的比强度在室温下是最高的,镍基合金其次,然后是钢和铝合金差不多。但是钛合金随着温度的增加,它很快强度就衰减了,镍基高温合金的比强度虽然不是最高,但它能够撑的温度比较高,撑得时间也比较长。这就是为什么我们现在做的涡轮叶片的合金,都是用镍基高温合金做出来的,而不能用钛合金。那么科学家们想办法,大家知道最开始做的叶片,是用铸造的方法做出的是等轴晶,放大以后,它由很多晶粒组成。但是在高温下,由于它的晶界原子排列是混乱的,从熵的角度来说它就是不稳定的,温度一高晶界就开始软化,然后这时候再有个巨大的离心力,这个晶界就碎了。第二步科学家们做出了定向,让所有的晶粒往一个方向长,它虽然有个晶界,但是它的晶界都是竖着的,有离心力的时候不要紧,但是横向不行,只要有横向力的话它从晶界就断开了。第三要做成单晶体,想了很多法,现在做的都是单晶。
这还不够,温度还在提高,发动机设计师说不行,温度还得接着提高从而增加推力。怎么办呢?做成空心的,就是师先生做的,当时叫九小孔,现在这孔可达到90个900个。单通道不行做成多通道,就为了让它到处都冷却,不行的话加涂层,热障涂层。做出来这个热障涂层非常不容易,陶瓷里有个概念相变增韧,如果你有一点小的相变的话可以增韧,不会产生很大的裂纹。当时我们解决了材料问题——YSZ,YSZ陶瓷材料因为其卓越的物理、化学性能、良好的热稳定性、极低的热导率,一直是一种被广泛应用的热阻材料。结构上,我们发明了一种新结构,从陶瓷到机体中间有一个过渡层,叫粘结层,这一层总是掉粘不住,怎么回事呢?我们感觉合金的成分与前与后差距太大,所以我们就把粘结层做成了一个梯度, 叫 GBTBC,梯度的粘结层。在结构上有了这个新的发明。
发动机的叶片穿上了中国人自己做的衣服
理论存在了,可真正要让发动机叶片穿上了中国人自己做的衣服可没有那么容易,只有通过不断热循环才能证明叶片能真正可以穿上这层衣服。一个小时拿出来一次冷却,最多做到了多少呢,一万次,或者叫一万个小时的循环,一个小时一次。一万个小时是多长时间?一年多,不休息,炉子不能休息,人得看着三班倒。一天24小时乘以365,是8000多小时。所以做一次实验要做一万小时,一年多的时间。冬天还好,可夏天的时候那真是热。徐校长说:“热我们也高兴,只要它叶片涂层不掉,所以我们觉得很自豪。我们把整个的材料、结构、工艺、表征、测试、寿命预测,把它做完了之后能达到一万个小时,我们特别开心。”由此发动机的叶片不再“赤膊上阵”,而是穿上了中国人自己做的“金钟罩”!
以上文字部分摘录于《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》
风上风云|云端故事
望您读后可以顺手点亮"赞"在看"!
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发动机是飞机的心脏。全国人民非常关注的就是两个“心”:一个是芯片;一个是飞机的心脏——发动机。这两个“心”的问题不解决,我们就难以从一个大国成为强国。造不出来不出自己的心脏,总是长期赖于国外,这也不是一个强国,甚至是一个大国的所为。
做发动机为什么这么难?为什么中国长期以来做不出来民用发动机?北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠彬,主讲《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》,为你揭秘中国航空发动机叶片涂层材料研制的突破过程。
航空发动机难在哪里?
1
发动机需要非常高的安全性和可靠性
现在的一台民用发动机,要求稳定地工作三万小时,不能出任何故障。将来要超过三万小时,其中,有个两个实验是发动机必须要做的。
第一个实验叫抛鸟实验。
在航空飞行中,全球每年因鸟撞事故而造成的损失多达几十亿美元。据中国航空报报道:在2014年10月中国首次成功完成某型飞机发动机整机吞鸟试验。实验首次采用目测三点法、激光对准法,保证了鸟体实际撞击部位与设定点的偏差小于30mm;首次使用高速相机,实现了试验速度测量误差小于0.01%。
航空发动机进行“抛鸟”试验
第二个实验叫吞冰实验。
吞冰片试验目的,主要是为考核某型发动机对吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹的能力,在地面试验台上模拟飞行环境对发动机进行专项考核试验。一分钟一吨的冰要打到发动机里面去,发动机叶片要完好无缺。发动机如果不行的话谁敢坐飞机。在空中肯定有鸡蛋大的冰雹,吞进去的话发动机不能说停下检修,叶片打碎了,发动着火了还能飞吗?这两项实验证明发动机具有高度的安全性和可靠性。
航空发动机进行“吞冰”试验
2
发动机的叶片承载巨大的离心力
发动机的转速要达到10000多转,每分钟15000-16000的转速,发动机如果转动叶片,它承受的离心力相当于叶片本身的10000倍。有人说相当于挂着几台桑塔纳,而且这个时候发动机的叶片是在极高的温度下运转的。这就是它的第二个难点,发动机的叶片承载着巨大的离心力。
3
发动机的温度极高
现在发动机用的材料绝大多数都是金属材料。军用发动机燃烧室的工作温度已经超过了2000K,K(开尔文)和C(摄氏度)相比差了273度。民机发动机燃烧室的温度也要达到1800到1900K。而发动机所用的镍基高温合金它的初熔点大概也就在1300多度,加上273也不到1600K。所以说所有金属材料的叶片,在发动机燃烧室里边,它是处于熔化状态的,而且它还要挂着10000倍的离心力,你想想它是不是做到了极致。
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4
极致的加工精度要求
或许大家听说过层流和湍流,当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,或称为片流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,称为湍流。发动机飞得很高,然后前面有风扇,压气机把风吹到燃烧室,相当于17级的风速,这个时候要确保火焰在里边稳定地燃烧,这对于搞空气动力学的也是一个极限,设计不好吹偏了把旁边都烧掉了。发动机由上万个零件组成的,加工精度要达到微米级,甚至有些个别的部件要达到纳米级,要确保每个零件都万无一失,所以发动机这个产品有多么精致。
让中国飞机发动机穿上自己做的衣服
1
发动机的核心:“一盘两片”
发动机最核心的核心就是“一盘两片”。“盘”就是涡轮盘,涡轮盘就是把工作叶片插上去以后带动它转动的。“两片”一个是导向叶片一个是工作叶片。导向叶片就是火焰冲出来的时候导流,然后才能吹着工作叶片转动。它是首先接触火焰的,紧接着就是工作片就是转动的,这是里面最难攻克的。
三项技术:冷却、合金的温度、加上涂层
发动机的叶片的工作温度已经远远超出了合金的熔点,怎么能让它不化呢?第一个需要冷却,中间把它做成空心的,冷空气吹进去然后冷却它,在外边形成个保护膜来保护它,因为它有一个温度梯度在里边,表面的温就降很多。第二件事让合金的承温能力继续提高。第三件事给它穿上一层衣服。深色的叶片,就是没有穿衣的叶片,白的叶片就是穿了一层衣服的叶片。
穿了什么衣服呢?一个热障涂层,叫 Thermal Barrier Coating(TBC),是应用于热端部件表面的高温防护陶瓷涂层。通过把合金与其工作附近的超高温热源隔离,来降低工件表面温度,从而提高器件的工作温度和寿命。这个陶瓷衣服涂上去难度大了,因为大家知道陶瓷很脆,金属的热膨胀系数很大,金属膨胀了陶瓷没有热膨胀,或者膨胀很小一下就把它崩掉了。所以要想穿上这层衣服非常难。
不带陶瓷涂层叶片(左)和带热障陶瓷涂层叶片(右)服役后表面状态对比
3
材料的进化史:等轴晶体、定向晶体、单晶体
解剖航空发动机的材料的话,它用了哪些材料呢?如下图,蓝色的是钛合金,红色的是镍基合金,然后黄色的主轴轴承用的是钢,然后还用了少量的铝和复合材料。90%以上都是用的金属材料,金属材料有个特点,它在温高的情况下,它的强度会大幅度地降低。
比强度(Specific Strength),钛合金的比强度在室温下是最高的,镍基合金其次,然后是钢和铝合金差不多。但是钛合金随着温度的增加,它很快强度就衰减了,镍基高温合金的比强度虽然不是最高,但它能够撑的温度比较高,撑得时间也比较长。这就是为什么我们现在做的涡轮叶片的合金,都是用镍基高温合金做出来的,而不能用钛合金。那么科学家们想办法,大家知道最开始做的叶片,是用铸造的方法做出的是等轴晶,放大以后,它由很多晶粒组成。但是在高温下,由于它的晶界原子排列是混乱的,从熵的角度来说它就是不稳定的,温度一高晶界就开始软化,然后这时候再有个巨大的离心力,这个晶界就碎了。第二步科学家们做出了定向,让所有的晶粒往一个方向长,它虽然有个晶界,但是它的晶界都是竖着的,有离心力的时候不要紧,但是横向不行,只要有横向力的话它从晶界就断开了。第三要做成单晶体,想了很多法,现在做的都是单晶。
这还不够,温度还在提高,发动机设计师说不行,温度还得接着提高从而增加推力。怎么办呢?做成空心的,就是师先生做的,当时叫九小孔,现在这孔可达到90个900个。单通道不行做成多通道,就为了让它到处都冷却,不行的话加涂层,热障涂层。做出来这个热障涂层非常不容易,陶瓷里有个概念相变增韧,如果你有一点小的相变的话可以增韧,不会产生很大的裂纹。当时我们解决了材料问题——YSZ,YSZ陶瓷材料因为其卓越的物理、化学性能、良好的热稳定性、极低的热导率,一直是一种被广泛应用的热阻材料。结构上,我们发明了一种新结构,从陶瓷到机体中间有一个过渡层,叫粘结层,这一层总是掉粘不住,怎么回事呢?我们感觉合金的成分与前与后差距太大,所以我们就把粘结层做成了一个梯度, 叫 GBTBC,梯度的粘结层。在结构上有了这个新的发明。
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听说夏天和仙女裙更配嗷[awsl]
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#博君一肖[超话]#
那年盛夏的风吹得少年迷了眼,动了情。
后来每个夏天好像都差不多又好像哪哪都不同。后来呀,才发现我最爱的还是那年的盛夏,原来是因为那个夏天都关于你。
听说仲夏夜的心动最难收场,像星星之火可以燎原,手足无措也不知道如何收场。
听说仲夏夜的心动像烈酒呢,原本以为呛得难受,但却甜得挠人,且后劲很足。
后来沿路所有美景,确都不及你半分令我如此念念不忘。
后来见过很多笑得好看的人,但却不及你的笑容美得令我心神荡漾。
你说看我看我,我回头望了一眼,却再也难收回目光。这就是传说中的一眼万年吧!
那年盛夏的风吹得少年迷了眼,动了情。
后来每个夏天好像都差不多又好像哪哪都不同。后来呀,才发现我最爱的还是那年的盛夏,原来是因为那个夏天都关于你。
听说仲夏夜的心动最难收场,像星星之火可以燎原,手足无措也不知道如何收场。
听说仲夏夜的心动像烈酒呢,原本以为呛得难受,但却甜得挠人,且后劲很足。
后来沿路所有美景,确都不及你半分令我如此念念不忘。
后来见过很多笑得好看的人,但却不及你的笑容美得令我心神荡漾。
你说看我看我,我回头望了一眼,却再也难收回目光。这就是传说中的一眼万年吧!
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