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小小叶片如何驱动战机飞行

前不久,国外一架民航客机在万米高空航行时,发动机突然破裂,零件碎片贯穿客机舷窗,导致飞机瞬间失压。事后,据有关部门调查,事故原因为发动机风扇叶片断裂。

机翼是将燃油内力转化为飞机飞行动能的关键部件,加工难度大,质量要求高。机翼一旦断裂,发动机内部将受到连锁破坏,对飞机造成致命损伤。

无论是过去的活塞发动机,还是现在的涡轮风扇发动机,都是通过叶片压缩空气,利用空气的反作用力为飞机提供飞行动能。从螺旋桨叶片到风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片、航空发动机叶片经过多次更新迭代,质量更轻、强度更高、更耐高温。

叶片制造工艺的每一次创新和进步,都在推动航空发动机性能不断攀升。看似娇小的“身体”,承载着人类不断飞天的梦想,也是国家军事航空产业发展壮大必须跨越的“门槛”。

“小身板”能量大,处处彰显“科技”

现代战机多采用涡扇发动机。涡扇发动机前端的风扇吸入空气后,一部分空气进入发动机核心(也称内涵道),与燃料混合燃烧后排出;另一部分空气进入环绕发动机核心的外涵道,不进行燃烧,从涡轮发动机外壳向外喷出,形成推动飞机飞行的动能。

打开整流罩外壳,观察发动机内部,我们发现发动机叶片竟如此普通:不仅“长相一般”,身材也略显“矮小”。从前至后,一排排风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片错落排列。叶片排数与级数相同,排数越多、级数越大。

风扇叶片是“三兄弟”中的“高个子”,位于军用涡扇发动机最前端。为了适应超音速飞行,战机正面风阻面积不宜过大,风扇叶片尺寸设计有一定限制。因此,军用涡扇发动机风扇通常有多级叶片,确保产生足够大的推力。

此外,风扇叶片的外形和内部结构,也是影响风扇对空气做功效率的重要因素。风扇叶片经历了窄弦实心叶片、宽弦空心叶片、复合材料叶片和整体叶盘的发展历程。由英国罗尔斯罗伊斯公司研发的EJ200涡扇发动机,采用了整体叶盘结构。

与传统分体式叶片和轮盘相比,整体叶盘将叶片和轮盘设计省去了传统连接所需的榫头、榫槽和锁紧装置,减少了零件数量,简化了发动机结构,同时采用新的宽弦、弯掠叶片和窄流道,进一步提高了气动效率。

空气经过风扇初步压缩后,进入压气机继续加温加压。压气机叶片在“三兄弟”中最为“纤细”。叶片经过精密锻造、磨削抛光、表面强化等技术加工,被制成实心结构。为了获得更高的增压比、产生更大推力,空气通常需要经过多级压气机叶片压缩。

在EJ200发动机上,五级高压压气机转子采用整体叶盘结构。这一设计使压气机转子结构进一步简化,发动机重量减少30%以上。

压气机形成的高温高压气体与燃料混合,燃烧生成高温高压燃气,推动涡轮转动做功。涡轮叶片在“三兄弟”中堪称“八面玲珑”,面对高温、高压、腐蚀、磨损和复杂载荷等各种恶劣工况仍能应对自如,而这一切都与它的“硬核”设计密不可分。

涡扇发动机的涡轮前温度非常高。如今,大多数涡轮叶片材料使用耐高温性强的镍基单晶高温合金。除了单晶高温合金,涡轮叶片上还应用了气冷空心结构和陶瓷热障涂层,既为叶片外部披上“防护服”,更在其内部装上“天然空调”,叶片的高温防护能力明显增强。各项新材料、新技术、新工艺不断投入应用,使得叶片小小的“身板”里满满都是“科技范”。

战机的战力首先取决于发动机的推力,而推力则取决于涡轮叶片的耐高温能力

说起来颇有些传奇色彩,早期飞机上使用的螺旋桨,竟源自一次船舶航行试验的意外成果。

1837年,英国造船工程师史密斯等人驾驶“阿基米德”号蒸汽船展开航行试验。途中,螺旋推进器在碰到水中障碍物后发生断裂。尽管推进器只剩下一小截,但船的航行速度却比原来提高了一倍多。工程师们从中受到启发,发明了螺旋桨的雏形。直到1903年,“飞行者一号”试飞成功,螺旋桨才正式在飞机上应用。

最早的飞机螺旋桨采用木质双叶结构,像儿时玩具“竹蜻蜓”。这种螺旋桨结构在一战时期的战机上较为多见,英国“骆驼”式战机就是其中代表。当时,战机发动机功率较小,木质双叶螺旋桨已经完全可以满足其全部动力。

随着发动机功率不断提升,木质双叶结构难以适应飞机高速飞行的要求,增加螺旋桨桨叶数成为适应发动机功率、提高螺旋桨推力的常用方法。

进入喷气时代,螺旋桨桨叶逐渐退出历史舞台,取而代之的是集各种高科技于一身的涡轮叶片。

军用涡扇发动机的涡轮前温度,对发动机性能有着直接影响。高压涡轮进口温度每提升100℃,发动机推力提升10%。因此,涡轮叶片的耐高温能力越强,越有利于提升发动机性能。

上世纪40年代,科学家成功研制出第一块耐高温合金,并应用到第一代军用涡扇发动机的涡轮叶片上。随后,涡轮叶片经历了两次重大变革:一是上世纪50年代出现的真空熔模铸造技术,能够大幅减少叶片有害杂质含量;二是上世纪60年代兴起的定向凝固合金技术,使叶片的热疲劳性能得到明显提升。研究人员将定向凝固高温合金与简单的气冷技术结合,打造出第二代军用涡扇发动机的涡轮叶片。

20世纪70年代末,叶片制造工艺取得革命性突破,第一代单晶高温合金叶片正式问世。单晶高温合金叶片与单通道气膜冷却技术相结合,综合运用到第三代军用涡扇发动机的涡轮叶片上,涡轮前温度又一次得到大幅提升。

目前,新一代单晶高温合金和新型陶瓷基复合材料相继问世,多通道双层空心壁冷却技术也日趋成熟。涡轮叶片的材料结构和制造工艺的变化,让战机飞行性能变得更加强大。

叶片快速修复,像壁虎长出“尾巴”

战机高速飞行时,发动机叶片的工作条件是什么样的呢?

以罗尔斯罗伊斯公司研发的RB211涡扇发动机为例,风扇叶片绕轴飞旋时,巨大的离心载荷相当于一辆M1A1主战坦克的重量。除离心载荷外,风扇叶片还要面对气动载荷、交变负荷,以及与飞鸟、砂石等外物的“不期之遇”。

而涡轮叶片作为第一关键部件,要面对1000℃以上腐蚀燃气的正面冲击,还要抵挡来自燃气杂质的腐蚀。在这样恶劣条件下,涡轮叶片难保“金刚不坏之身”,出现裂纹、磨损、性能下降等情况在所难免。以国内某型发动机为例,全台发动机有2000多个叶片,如果磨损后一一更换,其费用接近发动机整机采购价的2/3。另外,叶片制造加工难度大、质量要求高,其备件供应周期难以保证,无法满足发动机的维修保障需求。

那么,能否像壁虎重新长出“尾巴”,帮助发动机叶片实现“快速再生”?

航空发动机零部件再制造技术应运而生。该技术涵盖表面处理、增材制造、焊接、热处理、涂层加工等多项先进工艺。经过再制造技术修复的磨损零部件,质量不低于新品。在国外,这一技术很早就已经被应用到发动机的叶片修复上。

每片叶片都有自己的“身份证”,诞生之初就会被打上标签。叶片每次磨损情况都将记入“病历档案”,并进行存档。“挂号”登记完毕后,接下来叶片将被推进“手术室”。一台“手术”大体分为以下3步:

第一步前期处理。对表面有保护涂层的叶片采用物理和化学方法进行去除,随后对叶片进行“全面体检”,发现“病灶”后,开展去除裂纹表面氧化膜、制备焊接坡口等“清理创口”工作。

第二步正式“手术”。应用焊接、钎焊、冷/热喷涂、增材制造等工艺方法,对叶片型面损伤的地方进行填补,再利用磨抛或机械加工等方法去除多余材料。

第三步后期处理。尽管叶片已“重获新生”,但仍需要接受多次“复检”,确保修复完成后不会出现二次损伤。随后,还要恢复叶片表面的“保护外套”、疏通堵塞的“呼吸通道”、调理表面的“健康状态”,方能领取质量合格证。

目前,不少国外公司在叶片修复技术上有着丰富的技术底蕴。例如,德国MTU公司与汉诺威激光研究中心应用激光立体成形制造技术来修复涡轮叶片。在国内,空军某航修厂经过10余年的努力探索,提出了发动机多型部件故障的解决方案,先后突破了一系列关键核心技术。

经过修复技术“治疗”,叶片能够像壁虎长出“尾巴”一样,在原有基础上实现“快速再生”,不仅使发动机维修周期明显缩短,而且为战机平安起降提供有力保障。

上图:航修厂技术人员采用激光增材技术修复叶片。

罗九龙摄返回搜狐,查看更多

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