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動畫|航空發動機壓力那么大,如何“冷靜”下來?

來源:科普中國-軍事科技前沿2021-04-15 17:36

  渦輪,發動機的心臟。渦輪的工藝水平很大程度上說明了一個國家的航發制造水平。其制造的最大難點就是高溫。現代航空發動機的渦輪溫度在1500°以上,其次,隨著航空業的不斷發展,渦輪的工作環境也必然會逐漸惡劣。

  解決高溫的思路主要有兩種:材料、冷卻技術。本期節目中,我們會以時間維度講述,渦輪葉片的冷卻技術發展經歷了什么。需要知道的是,任何冷卻的本質都是熱量交換。

  早期的渦輪葉片并沒有采用冷卻技術,因此,溫度很難超過1000℃。設計師開始嘗試在保證強度的前提下,在葉片內部做出數條小通道,使冷卻氣體通過,這種冷卻設計叫做對流冷卻。

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  隨著材料科學的不斷發展,葉片強度得到了保證。內部小通道的數量越來越多,直到葉片被挖空。在空心葉片的內部再設計一個殼體,殼體上有一定數量的小孔,冷卻空氣會通過這些小孔沖擊葉片內壁,這種設計叫做沖擊冷卻,可以選擇強化某些關鍵部位的散熱能力。

  我們在淋浴時,會有這種感覺,當人站立不動時,水流并不會均勻流過的人體所有位置,葉片亦是如此。便開始有設計師往空心葉片中,裝入各式各樣的擾流柱與擾流肋,以加強冷氣擾動。

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  為了進一步提高冷卻能力,已經將葉片“鑿”空心的科學家們,開始嘗試由“內部冷卻”往“外部冷卻”轉變,這個時期的冷卻系統設計難度也有了質的提高。通俗點說,就是讓從葉片內流出的冷卻空氣,形成一層“氣膜”,將葉片與高溫燃氣分開,氣膜冷卻設計難點在于如何降低孔內穿出冷氣的穿透率。

  當穿透率逐漸減低,冷卻空氣會從“噴出”變為“滲出”,像出汗一樣,在葉片表面形成氣膜,這就是現代渦輪常見的冷卻技術——發散冷卻。現代渦輪葉片常常同時使用多種冷卻技術。注意哦,由于不同的冷卻技術間會相互影響,所以,復合冷卻技術并不是簡單的組合,需要綜合考量多種因素。(整理:趙清建)

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本作品由科普中國軍事科技前沿、畫說飛機聯合出品

[ 責編:武玥彤 ]
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