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博萊特空壓機

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小學生都可以看懂的空氣壓縮機知識


     
    空氣壓縮機
     
            本著“世界上只有中國和外國兩個國家”的原則,航空發動機任重而道遠!
     
            都說航空發動機是工業皇冠上的明珠,那到底“明珠”在哪?磚家們嗶哩啪啦講了一堆,咱學識淺薄,用白話文單說最難一點。
     
    依慣例,從小學知識說起。
     
            發動機向外噴東西越多越快,產生的推力也就越大,但是燃油炸藥這些,爆炸速度已經接近分子間傳遞信息的理論極限。如果基礎物理不突破,那么為了提高推力,就只能拼命往發動機里塞更多燃料。燃料一多,空氣就不夠燒了,所以又得裝個“抽風機”。這就是發動機的基本原理:壓縮更多的空氣供更多的燃料燃燒。
     
    問題就出在這個壓風機上。
     
    壓風機

     
            這張圖囊括了發動機的幾乎所有基本原理。三大核心部件:高壓壓氣機、主燃燒室、高壓渦輪,再加兩個關鍵詞:內涵道、外涵道。
     
            高壓壓氣機就是一臺“抽風機”,和后面渦輪連成一體。風扇先把空氣吹進來,壓氣機高速旋轉,把空氣壓縮到燃燒室,燃燒產生的強大氣流往外噴射產生飛機的動力,同時推動后面的渦輪轉動,渦輪轉動帶動前面的壓氣機轉動,繼續壓縮更多的空氣進來。
     
            看暈的同學再捋一捋:壓氣機旋轉的動力來自渦輪,渦輪旋轉的動力來自燃料燃燒,燃料燃燒的空氣來自壓氣機的壓縮,這三角戀也是夠復雜的。
     
    索性補幾個名詞解釋:
     
            外涵道和內涵道的比例叫“涵道比”,外涵道的空氣不進燃燒室,直接向后噴出。外涵道比例大的,叫 “大涵道比發動機”:省油、低速,適合客機貨機等大型飛機;外涵道比例小的,叫“小涵道比發動機”,費油、高速,適合戰斗機等小型飛機。
     
             這種前面一個風扇,后面一個渦輪的發動機,叫“渦輪風扇發動機”,簡稱“渦扇發動機”。
     
             如果把內涵道無限縮小,這就是一臺“渦輪螺旋槳發動機”,簡稱“渦槳發動機”。
     
             如果把外涵道無限縮小,風扇也就沒必要了,這就是“渦輪噴氣發動機”,簡稱“渦噴發動機”。
     
             行文至此,干貨來了:高壓渦輪的葉片就是全世界最難最難最難制備的材料,工作環境極為惡劣:高溫、高壓、高強度!這就是所謂的工業皇冠上的明珠,也是我們最短的短板,沒有之一。
     
    空氣壓縮機
     
           上圖這造型就是典型的渦輪葉片。在燃料和葉片的關系中,燃料的盈余量很大,所以無論葉片有多牢靠,多倒些燃料,就可以緊緊把葉片逼到奔潰邊緣工作。為了充分壓榨葉片,還有很多冷卻技術,比如,葉片上的小孔,工作時有高速氣流噴出,在葉片表面形成一層氣膜,這叫“氣膜冷卻技術”。
     
    空氣壓縮機
     
     
            發動機里溫度最高的便是渦輪前面那段,這叫“渦輪前溫度”,是衡量發動機代差的主要參數。因為耐高溫是硬功夫,只要這點追上了,哪怕其他參數不行,也可以通過設計快速提升,這個進度是可預期的,但材料研發的進度是說不準的。

             渦前溫度每提高100K,推力增加15%,相差200K就意味著相差一代。聽說渦前溫度全球平均每年提升10K,有人說我們的發動機落后美帝20年,估計就是根據這個算出來的。
     
    空氣壓縮機配件
     
            雖然發動機結構設計也很復雜,但難度無法與材料相比,想辦法弄一臺樣品,直接山寨就是。別嘲笑山寨,這家伙還有個帥氣的正經名字:逆向工程。寫論文第一步都是文獻綜述,任何研發工作,首先了解同類產品并借鑒升級,是非常合理的做法。任何國家都這么干,以前這么干,現在這么干,未來還這么干!只不過我們底子薄,現在干得更多而已。當然了,像發動機這么復雜的機器,自己沒有吃透,也是不可能完成山寨的。
     
            舉個例子。某年,殲六發動機連續斷軸,一度導致60%飛機停飛,嚴重影響空防。折騰兩年才搞明白,這個發動機山寨了相當部分毛子的設計,但有一處倒圓角半徑出了問題:
     
    博萊特
     
            毛子設計是0.6mm-0.8mm,無奈我們的刀具材料不過關,圓角刀兩側磨損過快,于是加工時半徑少了0.2mm。就因為這0.2mm,導致應力急劇增加,渦輪軸斷裂,多次釀成機毀人亡事故。想想,一個發動機需要多少這樣的細節組成?


    空壓機發動機
     
     
            而整個軍工需要多少這樣的細節組成?現代軍工體系的龐雜超乎想象!從某種角度說,軍工其實是“陽謀”,比拼的就是人員和投入!這個嚴密而龐大的體系才是最高的技術門檻。扯遠了。正因為極端條件下的苛刻要求,美帝有些發動機,為了減少不必要的連接和縫隙,核心部件就從整個大鐵疙瘩里一點一點削出來,俗稱整體葉盤。葉片和圓盤連在一起,不但更牢固,重量還能下降30%。我們心領神會,據說已經引進了最先進的整體葉盤制造技術。
     
    博萊特空氣壓縮機

    空壓機型號
     
            這圖就開個玩笑,自家展會上的,只是試刀用的樣品。整體葉盤逐漸成為發動機主流,美帝計劃2020年戰斗機渦輪全采用整體葉盤,不過加工這玩意兒手藝不是一般的高明,通常需要五軸聯動機床。說到機床,哎……
     
            順便說一說美俄思路的差異。毛子的數學功底是融到骨子里的,所以毛子經??烤€性計算搞定一切。蘇27的發動機就是用銷釘固定,毛子就是任性的把受力分布計算到極致,發動機硬是不散架!這功夫也是沒誰了!
     
            雖然航空發動機極高溫極高壓,但工作時間畢竟短,還有一種場景是溫度壓力稍微低點,但工作時間非常長,由于溫度和時間具有一定的當量關系,這其實是一回事。對鋼的穩定性評價通常采用“高溫長時效試驗”,舉例來說:蒸汽輪機葉片鋼試驗時間通常要超過10000h,若把溫度提高到670度,試驗時間可以縮短到400h。
         
            所以除了航空發動機,我們的大功率蒸汽輪機、燃氣輪機也是苦的一逼!鍵盤俠們可集中火力往這兒噴。
    空壓機價格
     
            很多同學就不信邪了,為啥材料這么難?這還是怪人類科技太落后,什么都要靠試驗,只能通過一次一次試驗,才能找到最優方案。做材料和炒菜差不多,最后的成份都知道,豬肉蘿卜燉粉條,比例也數得出來。但其中的入鍋順序、火候、食材的預處理、種菜的肥料、養豬的飼料、用的什么鍋什么鏟,一概不知,所以我們看著一道道好菜,只能流口水。
     
            學術點說,就是不同的原子按照特定的規律排列,我們能分析出材料的排列分布,但不知道怎么樣才能讓原子按這樣的規律去排列。
     
            知道勞斯萊斯嗎?其實他們做汽車是閑著玩玩,最牛的技術是航空發動機,同水平的全球僅三家,還有2家是美國的通用和普惠(不是賣電腦那家)。
     
            材料對技術的限制有多嚴重?僅以機床為例,機床是削金屬的工具,精密機械結構都是靠削出來的,機床對于工業,就像紙筆對于學生(只用電腦,不動紙筆的學生請走開)。高速加工時,主軸和軸承摩擦會產生熱變形,導致主軸軸線的抬升和傾斜,從而影響機床的加工精度。正因為這點加工精度的影響,外加刀具的磨損誤差,使得大量的國產設備,即便采用更精巧的設計,性能仍然落后一截。
     
            以我們這幾年瘋狂的投入,幾乎沒有什么折騰不出來的。大學時聽老師說,F16的發動機圖紙,早早就有了;中科院可以掃描出最先進芯片上所有的設計細節;如此等等。唯獨材料,將龐大的技術積累,死死卡在瓶頸上!大部分所謂的核心技術,歸根結底,就是材料!
     
            話說回來,我們怎么說也是五大流氓,并非一無是處,如果不要求第一,只要求前五的話,還真沒啥不會的技能。
     
            2016年6月,一則《中國航空發動機材料重大突破,壽命優于美國 1~2 個數量級》的新聞讓許多人一陣騷動,細細拜讀陳教授大作,只能說“進步很大,但差距依然不小”。簡單解析一下:這則新聞源自南京理工大學陳光教授團隊在《NATURE MATERIALS》(影響因子38,搞科研的同學都嚇尿了吧)上發表的一篇論文,大意是“高溫PST鈦鋁單晶”取得重大突破。
     
            材料制備,本質上就是讓原子按某種規律排列,高雅一點叫:定向結晶。這和兵法陣形差不多概念:讓原子排列的方向,全部對著受力方向,這樣的金屬葉片強度就高。但是高溫下,金屬都會熱脹冷縮,經這一折騰,陣形就亂了,高雅一點叫:高溫下的合金蠕變。
     
            陳教授研究的鈦鋁合金,屬于比較主流的發動機葉片材料。陳教授在合金結構里加了Nb,這可不是撒胡椒粉那種加法,加Nb是很講究的。Nb有啥用呢?這陣形的主力士兵是鈦鋁原子,在陣形的關鍵位置,安排了Nb原子這個傳令兵,士兵就不怕走散,可以分開的距離就更大一些,在材料上表現為延展性能提升。同時,這個傳令兵也不會讓士兵分的太遠導致陣形潰散,他會把士兵控制在一個有效范圍內,這在材料上表現為拉伸強度提升。
     
            PST在900度下抵住了637MPa的高拉伸強度,什么概念呢?——“這簡直屌炸天了!”一位不愿意透露姓名的材料學家說。
     
    空壓機原理
     
            藍色線是美國波音客機GEnx引擎中的合金(簡稱4822合金)的蠕變抗力,紅線是陳教授的PST鈦鋁單晶,線條往上翹就表示掛了。解讀一下:
     
            100MPa蠕變應力:4822不到100小時就掛了,PST超過了800小時還沒掛,看趨勢不知道多久會掛。
     
            150MPa蠕變應力:4822抗了5個多小時,PST抗了350小時。
     
            210MPa蠕變應力:4822抗了1個多小時,PST抗了100小時。
     
            這就是新聞上說的比國外先進2個數量級的那個參數。在鈦鋁合金這塊,我們算是出頭了。
     
            為啥還說差距依然不小?
     
            但凡上天,減重自不用多說,原則上,葉片重量越輕、強度越高,越好。所以發動機會根據不同級葉片的工作環境,采用不同的材料,盡量降低發動機重量。鈦鋁合金和鎳基合金,前者輕但不牢靠,后者牢靠但重,兩者密度相差一半。
     
            陳教授的PST合金可以耐900度,通常認為氣膜冷卻能貢獻400度,隔熱涂層能貢獻100度,這樣算下來,保守估計鍋前溫度能到1750K,這基本可以搞定三代發動機。拍著腦門想想,若現有三代發動機全用PST替換,這畫面真是不敢想,搞不好推重比全都超過10了!就連美帝也得哭!
     
            但是在1000度條件下,PST拉伸強度下降到238MPa,估計很快被扭成麻花。所以四代發動機,只能用在壓氣機和低溫渦輪那里,核心的高壓渦輪還是夠嗆。比如,美帝有款發動機的高壓壓氣機共9級,前3級鈦合金,后6級鎳基,這6級基本可以用PST替換,還有新聞里的GENx,低壓渦輪的鎳基合金也可以被替換。
     
    不過四代發動機還得用上鎳基,我們的鎳基合金仍處于被吊打的階段,高端鎳材全靠進口,基本被美德日壟斷??纯疵赖鄣乃拇嚮辖餎PM102,400MPa/1000度,輕松撐過1000小時,對數據不敏感的同學回看一眼PST的參數(210MPa/900度,116小時)。
     
    空氣壓縮機原理
     
             戰斗機還有“開加力”一說,就是在發動機后面再裝一個大圓筒,緊急時刻拼命往里倒燃料。這和吃興奮劑沒區別,瞬間增加50%的推力,但對材料的磨損極其嚴重,非常影響壽命!發動機在加力狀態下,一般不會超過5分鐘!
     
            “最大推力”是指開加力的推力,“中間推力”是指不開加力的最大推力。
     
    空氣壓縮機型號
     
              有了這些知識打底,咱就能解讀一些新聞了。
     
    一、渦扇-10,WS10,俗稱太行發動機。
     
            我們的第一臺大推力發動機,大涵道比結構,用于大型軍用飛機。延伸型號則裝備最先進的三代機,殲11B??磶讞l官方公布的新技術:
     
           1)“低壓渦輪兩級導向葉片空心、三聯整體無余量精鑄結構,與高壓渦輪對轉。”啥意思呢?如果所有的葉盤往一個方向轉,就會帶著發動機也朝一個方向轉,固定支架的壓力就很大;如果一個向左轉,一個向右轉,就可以抵消旋轉產生的力,這個道理很簡單。據說這種設計在此類發動機里很少見,但這對發動機葉片耐高溫沒啥幫助,也不能因此而多倒燃料。
     
           2)“三級風扇為帶進氣可變彎度導向葉片的跨音速氣動設計。”啥意思?氣動是我們的強項嘛,不過這種設計還是提升不了發動機的層次。
     
           3)“借鑒國際上先進的氣膜冷卻技術,大膽采用了復合氣冷空心渦輪葉片。”終于說到點子上了,葉片能承受更高的溫度,盡管倒燃料吧!
     
           4)“納米氧化鋯熱障涂層技術應用于高壓渦輪導向葉片以及低壓一、二級導向葉片。”這個好理解,葉片更耐熱了,不錯不錯。
     
           5)“第Ⅳ級和Ⅷ級高壓壓氣靜子葉片,首次實現高溫合金葉片的冷輥軋。”這個也不錯,同樣的材質,冷輥軋的性能會更好點。
     
           6)“首次采用整體鑄造鈦合金中介機匣。”這是發動機最重要的承力結構,整體鑄造的強度壽命都會更好些。
      
            總體來看,渦輪前溫度1747K,最大推力13-15噸,推重比大約8,有不少新的設計,估計已經用上那個最新的鈦鋁合金了。如果鎳基材料追上來,性能肯定還能升,現在雖比不上美帝,但也算是合格大流氓了。
     
    二、渦扇-15,WS15,俗稱峨眉發動機。
     
            尚未出世,為J20等四代機定制的小涵道比矢量發動機,“矢量”就是噴口能拐彎的意思。二三級風扇和前三級高壓壓氣機為整體葉盤,鈦合金材料;高壓渦輪葉片是所謂的國內第三代單晶材料,估計研發就是卡在這里了。
     
            設計參數:渦輪前溫度1850K,最大推力16-18噸,推重比大約10。
     
            對比一下美帝F35的發動機,全世界最牛逼的普惠F135:渦輪前溫度大約2000K,最大推力19噸,推重比11.7。強調一點:美帝是現役的,我們是研發中的。
     
            簡單看一眼現役老裝備:渦扇-9“秦嶺”,推重比5.05,推力約5.5噸,裝備飛豹;渦扇-13“天山”,推重比7.8,推力約5噸,裝備梟龍,飛豹;渦噴-14“昆侖”,推重比 6.4,推力約5噸,裝備殲-8,殲-7系列渦扇-500,用于無人機和巡航導彈,推力500kg。這是整體葉盤技術非常成功的應用案例,和西方差不多同一水平了。所以,我們這幾年的無人機和巡航導彈一個比一個叫的響。
     
    空壓機價格
     
            渦輪葉片想要全面趕超美帝,或三五年,或一二十年,反正不可能一夜圓夢,就死了這條心吧!不過,我們這位老司機,彎道超車可是一把好手。發動機的彎道在哪兒呢?
     
            若在大氣層內速度超過2倍音速,那些渦輪無論多牛逼,都會被離心力甩斷裂,于是就有了新套路:“沖壓發動機”。
     
            速度快到逆天后,迎面吹來的風就比抽風機還要多,所以可以把那些亂七八糟的渦輪全扔了,就一個空牢牢的圓筒就行。這種發動機很輕,最多不超過1噸,但產生的推力卻可以達到30噸,功率相當于200個火車頭!沖壓發動機的原理,就決定了這貨只有在高速狀態下才能開啟,3倍音速以上的飛行器,基本都是沖壓發動機。請看渦噴發動機和沖壓發動機的區別:
     
    空氣壓縮機
     
            因為不需要高溫高壓的葉片,我們一下子就活絡了,氣動外形可是咱強項啊!為什么我們的超音速巡航導彈、反艦導彈、防空導彈牛逼,這下明白了吧?
     
            當然,這彎道超車也不是誰都能玩的,搞不好就得翻車,尤其是6馬赫以上的超燃沖壓發動機。這相當于在超音速的大風中點火(16級臺風的風速也就50m/s),非常容易熄火!
     
            美國NASA研制的高超音速飛行器X-43A,最高速度達9.7馬赫,因為燃料無法持續的問題被放棄。后來的X-51A“乘波者”幾次試飛,雖然完成了超燃沖壓發動機的點火,但燃燒室氣流不均勻導致的燃燒不穩定也是個頭大的問題。
     
            據說(我們的消息都要據說),我們的DF-ZF(美帝稱WU-14)已經穩定試飛N次了,有說法稱這貨已經超過美帝了??紤]到當年“錢學森們”留下的雄厚的氣動功底和近乎變態的風洞,再考慮到沖壓發動機不需要渦輪葉片,這說法可信度還是很高的。
     
    空氣壓縮機發動機
     
            除了沖壓發動機,最后還有一種解決方案,可以自帶氧氣嘛。這也不需要抽風機了,也就沒有后續那一堆煩心事了!呵呵,這是火箭發動機。家家有本難念的經,這本經改日再念。
     
           本著“世界上只有中國和外國兩個國家”的原則,航空發動機任重而道遠!
     

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