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航发科普 | 这场舞蹈,成为气膜散热的科学灵感
加入时间:2021/1/29 来源:admin 访问量:506

   灵感往往来源于生活。对于科学家来说,许多科学上的发现都来自于对生活细致入微的观察。航空发动机研制历史上也有许多这样的故事,在发动机工作过程中,进入的空气经过燃烧室燃烧做功,变成高温高压的燃气,让涡轮叶片面临严峻“烤”验。科学家通过观看生活中的舞蹈表演,激发出帮助涡轮叶片散热的灵感。今天,发仔就为大家讲讲这个故事。


蹈火舞表演者的脚为什么不会烫伤?


   1971年,一名叫戈德斯坦的年轻人,被公司要求研发新的高温合金材料。当时,各大航空发动机制造商都在寻找新材料和冷却技术,来提高叶片的耐温性能。


   经历了无数次的失败,戈德斯坦的研究始终得不到实质性的进展,他决定去旅行放松心情。在保加利亚,戈德斯坦被当地盛大的蹈火舞表演所吸引。在蹈火舞表演中,表演者需要赤脚在篝火余烬上踏着炭火翩翩起舞。


   戈德斯坦发现,尽管炭火温度很高,但表演者的脚掌并没有留下任何烧伤的痕迹。当地人告诉他,这是由于表演者跳舞时满身大汗,脚底的汗液在烘烤下蒸发形成一层薄薄的气膜,起到了瞬时隔热作用,保护表演者不被烫伤。


   能不能在单通道涡轮叶片表面打很多类似人体毛孔的小孔,使一部分对流冷却的气体从小孔中喷出形成气膜,进而对叶片表面隔热呢?


   这一发现,让戈德斯坦大受启发,他当即启程,回到工作岗位撰写论文,并发表在当时的科技杂志上,这是世界范围内第一次提出气膜冷却的概念。


   当时,这篇论文并没有引起太多关注。主要原因是气膜冷却需要在叶片表面加工出大量气膜孔,而涡轮叶片铸造用的高温合金属于难加工材料,并不具备相关的工艺技术,这一问题限制了气膜孔的广泛应用。


   既然不能消除,能不能利用?


   第二次工业革命后,各式各样的电器进入千家万户,但那时的人们发现,电器插头在插入插座的瞬间经常会产生电火花,用得久了,更会损坏插头的材料。


   一位名为拉扎连科的年轻人正在研究防止插头损坏的方法。起初,他试图寻找一种既能够导电、又能够耐受电火花腐蚀的新材料。但由于电火花产生的局部温度实在太高,当时没有任何材料能耐受住如此高温。实验失败后,拉扎连科又转而寻找一种在插头接触瞬间消除电火花的方法,可还是无果。


   郁闷的拉扎连科回到家后向夫人倾诉自己的苦恼,夫人安慰他,“既然不能消除它,能否想办法利用它?”


   这令拉扎连科大受启发——既然电火花可以腐蚀那么多种材料,为什么不对它加以控制,让它有目的地蚀除金属,对难加工材料进行加工呢? 拉扎连科和夫人立即申请了发明专利,1943年4月,拉扎连科夫妇获得了“导电材料电火花加工方法”的发明证书。


   自此,电火花加工技术迅速发展起来,电火花成型加工和电火花线切割加工分别在模具制造、金属切割等领域得到广泛应用。


   气膜孔遇上电火花,会发生什么样的反应?


   这两个同样来源于生活的灵感相互碰撞,成就了气膜冷却技术的发展。


   随着电火花加工技术的发展,逐渐衍生出高速电火花小孔加工技术。让高压水质工作液从电极内孔中喷出,从而对小孔中的加工间隙实施强制排屑及冷却,可以大大提高小孔加工的深度和效率。


   气膜冷却技术以其优异的加工性能,得到航空发动机制造行业的关注和应用。流进发动机涡轮的燃气温度最高可达1500℃,为了保护涡轮叶片不受高温侵蚀,在喷涂隔热材料的同时,工程师还将叶片内部设计成空心的通道,引入冷空气降温,用电火花加工技术在叶片表面加工出小孔,让冷空气在小孔周围形成气膜来保护叶片。


气膜孔与电火花,都来自于先辈们对于科学严谨深刻的思考、对于生活细致入微的观察。它们相遇,互相成就,一起在航空发动机发展史上写下浓墨重彩的一笔。






 
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