除了前面介绍过的压气机和燃烧室以外,喷气式发动机的核心机中最重要的部件就要数燃气涡轮了。和压气机被分为静子和转子一样,喷气式发动机的涡轮同样可分为静子和转子。其中静子上的叶片称为导向叶片,而转子上的叶片则被称为工作叶片。
导向叶片顾名思义,是仅起导向作用而不需要转动的叶片,当高温燃气从燃烧室里流出后,会先在导向叶片间发生偏转,然后以设计好的合适角度冲刷后面的涡轮转子上的工作叶片。在高温燃气的推动下,工作叶片会带动涡轮盘旋转,进而驱动前面的压气机高速转动,从而将空气源源不断地压入燃烧室供燃料燃烧,如此循环往复下去。
不难想象,涡轮叶片是整个喷气式发动机中工作环境环境最为恶劣的部件之一。尤其是涡轮转子上的工作叶片,不仅需要承受少则七八百摄氏度,多则上千摄氏度的高温,还需要承受转子高速旋转所带来的拉伸应力以及高速燃气冲刷所带来的弯曲应力,这种应力的强度可能会达到叶片自身重力的上千倍乃至数千倍。
涡轮叶片的工作环境是如此的严酷,而随着人们对涡轮发动机性能要求的不断提高,这个严酷的程度还是与日俱增的。上个位面中,在*********,涡轮发动机的高压涡轮转速从每分钟几千转增加到了每分钟几万转,涡前温度也从一开始的不到*********尔文以上。从某种角度上说,和涡轮叶片的严酷工作环境相比,高压压气机中五六百度的高温几乎可以称得上是温情脉脉了。
想要制造出能在如此恶劣的环境下运转依然面不改色的涡轮工作叶片,其中的难度也是可想而知的。如果材料性能不能满足要求,或者在叶片的加工环节存在瑕疵,要不了多久涡轮叶片就会因为发生剥落、变形乃至断裂而失效。
涡轮叶片剥落或者变形的后果是非常严重的,这可能会导致叶片与机匣摩擦而双重受损,如果不幸发生了叶片断裂,问题则会变得更加糟糕。因为一旦涡轮叶片发生断裂,即使只是小小的一片,带来的后果也很可能是毁灭性的。在强大离心力的作用下,断裂的叶片会像飞刀一样破坏力十足,它的威力足以击毁发动机内的其它部件,甚至有可能直接把机匣打穿,从而造成发动机的严重损毁。
为了防止出现上面这种悲剧性的后果,设计师们就必须从制造材料、成型工艺、叶型设计这三个方面同时入手,对同时代人类工程学的极限发起挑战。如果将先进涡轮发动机比作机械工业的皇冠,那么高性能涡轮叶片就是这顶皇冠上最璀璨的一颗宝石了。
按照制造材料的基体元素分类,用于制造涡轮叶片的高温合金可以分为铁基、镍基、
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