航空發動機是典型的熱機,通過燃燒化學燃料,高溫氣體做功將化學能轉化為動能,航空發動機製造難點就是設計生產耐高溫、高強度零部件。在發動機內部,按照工作環境溫度由高到低排序,分別是燃燒室、渦輪、渦輪後、噴口排氣溫度與壓氣機溫度。渦扇-15發動機的燃燒室溫度接近2000度,排氣溫度大概只有600度左右。發動機噴火是因為未完全燃燒的富餘燃料在大氣中燃燒產生的火焰,外部的火焰對發動機的影響並不大,不必擔心發動機被熔化。
燃燒室是空腔結構,部件固定、受力均勻,承受高溫能力較強。反而溫度相對低100多度的渦輪,是對發動機製造技術與使用材料的終極考驗。比如渦扇-15發動機,渦輪葉片是單晶體鎳基合金材料(1),熔點達到1150度左右。單晶體指由液態一次性結晶成一片結晶體,比如一片雪花。在相同材料分子結構中,單晶體的強度最大,耐溫能力最強。
渦扇-15發動機
然而,由於渦輪進口溫度接近2000度,1150度熔點溫度仍然遠遠不能滿足要求。為此,工程師在單晶體葉片上鑽孔,在葉片內部形成空腔,引入外部冷空氣或者滑油進行冷卻,大概能使葉片溫度降低500度左右。
鏤空的渦輪葉片
葉片冷卻技術(2)使得渦輪葉片能夠抗住1650度左右的高溫,但與2000度的環境溫度還有差距。於是,工程師又採用了熱障塗層技術(3)進行加持,渦扇-15發動機就採用了多元稀土氧化物摻雜的雙層納米氧化鋯陶瓷進行隔熱,讓渦輪葉片溫度比環境溫度再降低200至300多度,渦輪葉片耐溫性基本達到了1900至2000度。要知道,發動機工作溫度每提高100度,發動機推力就增加24%,所以說渦輪葉片耐溫性決定了發動機的先進性。
上文加粗三項為渦輪耐高溫技術,雖然尾噴口的溫度要比渦輪溫度少1000度左右,但溫度仍然不低,大概有900度左右。尾噴口同樣採用耐高溫設計,雙層筒狀結構,內筒同樣採用了耐高溫陶瓷材料。如上圖,白色的隔熱材料。








