也谈燃气涡轮发动机(三)

高压涡轮。燃烧室的热焰出口对着高压涡轮，在燃后的高温高速高压燃气的喷吹下，它以2一3万/分的转速转动，把燃气的热能、势能、动能转化为高压涡轮轴的旋转动能，带动高压涡轮轴上的、位于燃烧室进气口前方的高压压气机，对经低压压气机增压的空气进一步增压，使进入燃烧室的空气增压至20一40个大气压。

高压涡轮是整个燃气涡轮发动机中各项指标苛刻的部件，因此也是最昂贵的部件。

①高耐温。目前，它必须能耐近1700。C的高温。

由于燃气涡轮机各项指标不变的情况下，燃烧室出口热焰气温度越高，压力越大，涡轮机的输出功率也越大，因此，人们首先在尽力提高燃烧室进气口处的气压的同时，尽力提高其出口热焰温度，这使得高压涡轮叶片目前处于近其熔点的高温热焰中。为此，叶片必须由熔点最高的、高温不氧化的耐高温合金制造。

②高强度。叶片必须能耐高温的同时，由于涡轮轴转速达2一3万转/分，因此作用在叶片上的离心力巨大，这要求叶片必须高抗拉，以防被巨大的离心力拉断。

由于离心力也正比于质量，因要求叶片必须尽量轻，即要求其材料比強度高。

③抗冲刷。由于热焰流速越高，其携带的能量越高，而这对叶片的冲刷也越严重，因此，要求叶片耐气流冲刷。

④高抗温度循环变化疲劳。由于发动机总是在启动、运转、停车间循环，因此叶片要能高抗温差巨大的温变循环而不疲劳损坏。

叶片的苛刻的工作要求，也对安装它的高压涡轮盘提出了高要求，但相对叶片低多了。

由于现代燃气涡轮机对高压涡轮叶片和高压涡轮的极端要求，因此制造它们的材料和工艺都是最极端最前沿的。

叶片。为达到苛刻要求，在高温合金中添加了"铼"过种比黄金还贵的金属。但仅此仍不能完全达到要求，为此又使用了如下几种工艺。

①金属、合金单晶制造技术。单晶制造技术有多种，但工业化大生产量的高温熔融拉制单晶体是从半导体锗、硅制造升始的。外延扩展生产了低电阻铝、单晶铜，它们都是高纯单质，纯度达到9一11N，即99.9999999%，因此不存在"杂质偏析"现象，也就不需考虑这个问题。但它们是金属，有高的热导率，在空气中都氧化，因此制造单晶要求的以熔液面分开液/固态成为极端耗能的原因。为保证不发生氧化，要用不与之发生氧化反应的深冷气体成为冷源，用感应加热、激光加热为热源。因此，单晶铜比黄金贵出很多倍。

而合金单晶还需在以上技术基础上解决"偏析"问题。"偏析"是固溶体、合金特有的现象。纯度达9一11个"9"的硅、锗、铜的获取就是靠固溶体、合金的这个特性而提纯得到的。而合金单晶要求与此恰好相反，它要求各组成元素在合金单晶制成后与理想理论 分布状态一致，不能因液/固态的改变使构成合金的各元素在合金单晶中产生因"偏析"导致的配比改变。

为了使不懂"偏析"的 友明白"偏析"现象，下面予以介绍。

在合金、固溶态物质的随温度降低由液态向固态转变过程中，其中主元素(含量最多的元素)以外的元素(称为"杂质元素"）有的会向主元素熔液中移动，有的与之相反，会向主元素的固态部分移动，这被称为"偏析"。

"偏析"这种杂质元素移动导致某些杂质元素在主元素固态中增加，而另一些则在主元素液态中增加，这被用于以"区域熔融"法提纯硅等。熔区的不断缓慢单向移动，会使"杂质"最终移向主元素棒材两端。不断重复这区城熔融移动操作，会使不同杂质最终在棒材两端各自"富积"而中间部分越来越少。当中间部分达到几个9的纯度要求时，切去两端，保留中间部分再熔融拉制单晶。这是"偏析"现象在制取高纯材料时的运用。而制取单晶合金、固溶体要求不许出现最终产品中杂质元素的配比改变，但"偏析"是物质自然属性，不能改变。为此要依单晶合金最终各元素配比在熔融金属中有的增大添加量，有的减小添加量，使拉成的单晶合金、固溶体达到理想理论配比。这要反复试验和"计算机反应"试验。这就是给了图纸也造不出的原因之一。

为什么要制造单晶合金？

单质晶体具有元素各原子位置固定、距离相等、分布均匀一致的晶格结构。各原子与其周围原子处于稳定的共价键结合状态。理想单晶元素原子无位错、无杂质，无任何晶格缺陷。

它具有最高的抵抗外力破坏能力(高强度)，对热传导均匀，不会出现热阻不一现像。

合金单晶也具有如上特性。只是组成晶格的元素不是单一元素，各不同元素在晶格中的位置分布相同均一，与周围其它元素结合键能最大。

由于是耐高温合金的单晶体，所以其能耐该合金所能耐受的最高温度，且具有更高的抗温度急变能力及反复升降温循环能力。

它同时达到了该合金的最高强度。这就是燃气涡轮叶片要用单晶合金的原因。

为什么要加"铼"而不用"钨"？

铼是比黄金还贵的稀贵金属；钨是耐温最高的金属，也便宜，但钨在这里无法使用。

钨的密度大，高温易氧化，其合金常为高硬高密度脆性材料，因此适宜做切削刀具及箭杆弹等场合，不适合于要求高比强度高耐温高温度冲击、反复循环高抗拉要求场合。

铼的加入使高温合金的温度耐力进一步升高，且无任何负面影响，因此掺铼的高温合金才成为目前唯一当此任的合金。

这种合金单晶造价极为昂贵，成份、配比研发困难是高功/重比涡轮发动机造价高昂、制成困难的原因之一。

为了使叶片耐更高温度而採用的其它加工技术。

为了使叶片能耐极端高温，经典普遍的做法是使用中空叶片内冷十气膜冷却技术。这在单晶合金叶片发明之前就应用了。

把叶片加工成内部有中空的冷却气道，气道的末端开众多小孔于叶片表面。这样冷却气从内部冷却叶片后，由小孔喷出，形成"低温"气膜，覆盖在叶片表面，隔离高温燃气，使不与叶片直接接触，可以有效提高涡轮工作温度。

这种叶片制造要用到多轴多功能自动加工中心，即多轴多功能自动机床。没有这条件，是给图造不出的原因之二。

在保证叶片所需强度下，中空叶片壁要尽量薄。这样就又轻又易冷却但不能因高温燃气的喷吹而颤振。

为达不用复杂加工设备，有人提出了用薄板成型十焊接，再磨削制叶片的工艺，但未见应用 导。

也有提出了在叶片表面用等离子焰喷塗非金属耐高温材料薄膜以绝热，如火箭喷口一样的处理方法，此也未有应用 导。

涡轮叶片的材料、加工就这些了，接下来谈谈涡轮盘。

涡轮盘由于大部不处于其上叶片那样的极端环境，因此除可用单晶合金制造外，还常用合金粉末烧结法制造。这可大幅降低造价而保证应用要求。

核心机(燃气发生器)的意义。

高压压气机、燃烧室、高压涡轮三大部件构成了燃气涡轮机的核心部分，因此被称为：核心机。也有称"燃气发生器"的，其实是同一种东西。

核心机被用于对既有发动机的改型改进，功能扩展。比如为其配增压比更高的低压压气机，以核验这样的一台"新"机是否达到新的指标，或为其加装级数更多的自由涡轮(末端涡轮)，以核验动力输出效果等等。当其扩展能力挖掘尽后，再依各扩展中积累的经验，结合新需求设计研发新机。这可大幅降低设计研发周期。这就是核心机的意义。确切说，它只是把既有发动机的核心部分取出用以试验各种设想的一个试验设备，一个试验平台。