航空發(fā)動機(jī)研制的難點(diǎn)和目前中國的發(fā)動機(jī)技術(shù)淺談.doc

航空發(fā)動機(jī)研制的難點(diǎn)和目前中國的發(fā)動機(jī)技術(shù)淺談 來源： 高文君。BAXIA的日志 航空發(fā)動機(jī)體現(xiàn)了一個國家的整體工業(yè)水平，因?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)的制造要求非常高，工藝精度非常細(xì)，航空發(fā)動機(jī)的研制本身就有著風(fēng)險大，技術(shù)高，研制周期偏長，花錢巨大的多種因素在內(nèi)。比如周期問題，為什么說它長，是因?yàn)檠芯康倪^程是非常復(fù)雜的，許多的設(shè)計(jì)理念都是靠專家們獨(dú)自摸索的。發(fā)動機(jī)不是一個逆向?qū)W就能搞懂的。從設(shè)計(jì)樣稿，到制造樣機(jī)，在到實(shí)驗(yàn)，如果其中一個細(xì)節(jié)失敗了就得重頭來過，從新設(shè)計(jì)，在循環(huán)下去，直到各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求后才算結(jié)束。這點(diǎn)俄羅斯方面都會有許多的困難，其主要還是資金問題，其他方面如設(shè)計(jì)技術(shù)等相對來說很少。俄羅斯第五代發(fā)動機(jī)AF-41的3D效果圖，俄國官方已經(jīng)承認(rèn)在研制過程中出現(xiàn)問題 首先我們說下發(fā)動機(jī)的基本常識，發(fā)動機(jī)大致分為活塞式和螺旋槳。這里包括柴油機(jī)，汽油機(jī)，和燃?xì)鉁u輪機(jī)等，還有一種是沖壓噴氣式發(fā)動機(jī)，（這種發(fā)動機(jī)本身就有局限性，一般用在導(dǎo)彈和火箭上）由于字?jǐn)?shù)問題前兩者我們就不談了，在這里我們主要說下燃?xì)鉁u輪機(jī)。燃?xì)鉁u輪機(jī)的構(gòu)成大體部件可分為五個：進(jìn)氣裝置、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和排氣裝置。其中壓氣機(jī)，燃燒室和渦輪是最主要的，如果這三個出現(xiàn)一點(diǎn)問題，那么整個發(fā)動機(jī)的研制就會失敗。燃?xì)鉁u輪機(jī)里也分好多種，這里我們就提下渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，因?yàn)闇u輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)大多用在目前主力的二、三代戰(zhàn)斗機(jī)中，是必不可少的關(guān)鍵。 我國在航空發(fā)動機(jī)的研究上大概有50多年，雖然研制時間較短，但我國也搞出了至少15種型號的發(fā)動機(jī)，這其中有買專利后研制的，也有仿制的，可以說，一直到現(xiàn)在我國的發(fā)動機(jī)也沒有完全擺脫仿制的影子。但這是不得已的，我國也曾經(jīng)試著自己設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)，但都沒得到很好的結(jié)果?？梢哉f走仿制的路子實(shí)是無奈之舉。從當(dāng)時的情況來看我國航空發(fā)動機(jī)的研究嚴(yán)重落后于其他國家，雖然走了很多彎路，但現(xiàn)在我們著實(shí)有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，太行發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)使我國成為世界上第四個能獨(dú)立研制航空發(fā)動機(jī)的國家，雖然目前和俄羅斯的AL31F相比還略有差距，但也是一款很不錯的航空發(fā)動機(jī)了。 說道渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的研制，第一點(diǎn)就是加工了，可以說渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的加工是比較困難的，這一點(diǎn)不光是我們國家，西方發(fā)達(dá)國家也出過同樣的問題。一個發(fā)動機(jī)生產(chǎn)工藝上的好壞決定了這臺發(fā)動機(jī)的整體性能，從葉片上就可以分辨出來一個國家的制造工藝水平。就拿美國的F-18戰(zhàn)斗機(jī)來說吧，它本身的F404發(fā)動機(jī)制造工藝就非常好，如在燃燒區(qū)的轉(zhuǎn)子葉片，在受到高速旋轉(zhuǎn)時所流出的動力時，還能很好的承受將近2000多度高溫的沖擊，這就要看一個國家的合金鋼制造技術(shù)了，如果是用很好很耐熱的合金鋼做出的葉片，那這臺發(fā)動機(jī)的壽命就會相對長些。目前俄羅斯的AL31F發(fā)動機(jī)也有不錯的工藝，但相對美國來說要差許多，當(dāng)然大部分國家還是不能制造出來的。我國的太行和昆侖葉片都是采用了合金鋼，但這里相同的材料應(yīng)用在發(fā)動機(jī)葉片上還有個加工問題，如果葉片加工的不精確，那葉片的形面重復(fù)率就很差，每組葉片就不會相同，發(fā)動機(jī)的性能就不好。還有就是發(fā)動機(jī)的葉片根部會有許多的小孔用來釋放散熱空氣的，當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時，輪軸里傳出來的散熱空氣會通過這些小孔后流到葉片外面去，葉片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量就會減少。這些小孔是很關(guān)鍵的，每個孔的數(shù)量和形狀都是計(jì)算過的，數(shù)量多了，承受轉(zhuǎn)動力就不行，數(shù)量少了，放氣就少，所以如果計(jì)算失誤了就得重新設(shè)計(jì)。其實(shí)這些小孔就是制冷裝置，你沒有一個好的制造工藝是做不出這些小孔的，這也是目前大多數(shù)國家為什么沒有能力獨(dú)自研制發(fā)動機(jī)的問題之一。從我們的太行發(fā)動機(jī)來看，工藝方面很好了，甚至比俄羅斯的AL31F都好。太行發(fā)動機(jī)的制造工藝技術(shù)還是很高的 除了渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的加工技術(shù)要求較高之外，其國家整體的工業(yè)制造水平也要求很高，在這里簡單說下研制發(fā)動機(jī)的幾個重要工業(yè)技術(shù)：近無余量形成技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成、復(fù)合材料加工、新切削加工技術(shù)、焊接技術(shù)、小孔加工技術(shù)、檢驗(yàn)、防護(hù)涂層、熱表處理技術(shù)。目前這些技術(shù)在單一情況下我們國家還是較先進(jìn)的，關(guān)鍵問題是我們?nèi)鄙僭O(shè)計(jì)合成的經(jīng)驗(yàn)，所以，把這些技術(shù)融合在一臺發(fā)動機(jī)上是很困難的。為什么說很困難呢？因?yàn)檫@里有個預(yù)算問題，一臺好的發(fā)動機(jī)指標(biāo)是耗油量少，維護(hù)費(fèi)用低，重量相對輕，盡量縮短研制周期，這就需要這些技術(shù)共同計(jì)算加工了。如果制造技術(shù)好，那發(fā)動機(jī)的壽命就會很長，質(zhì)量就很好。尤其是大推力發(fā)動機(jī)，里面的關(guān)鍵部件尺寸精度、形為公差精度還有裝配單位都是毫米和微米。這樣的精度是普通加工機(jī)床和人工無法來完成的。所以你得有非常先進(jìn)的檢測機(jī)器，自己的國家工業(yè)能制造出非常好的數(shù)控加工設(shè)備才可以。這也是我說的為什么一臺發(fā)動機(jī)能顯示出一個國家的工業(yè)實(shí)力。這里我還可以拿葉片舉個例子。對于大多數(shù)三代發(fā)動機(jī)的葉片而言，根部的冷卻小孔至少有七萬或幾十萬個，這就是單晶空心葉片技術(shù)。而且每個孔的形狀還不是一樣的，有的深徑比大，有的入射角小。平常的方法是做不來的，只有數(shù)控激光打孔才能搞的出來，所以葉片的質(zhì)量就很高，這樣一比，美國的數(shù)控激光打孔設(shè)備就是非常先進(jìn)的。還拿美國的F404來說，由于葉片加工精細(xì)，所以在葉片旋轉(zhuǎn)時和外環(huán)的摩擦力就很小，空氣動力的損失就小，這里的動力間隙就越小，發(fā)動機(jī)的效率就越高。這里還有個裝配問題，如果一個發(fā)動機(jī)制造出來后，假如它的間隙是1.3到1.5毫米之間的話，那么這個發(fā)動機(jī)的效率就會降低4%左右，如果這臺發(fā)動機(jī)的推力是5噸的話，那么粗略算一下它至少沒有了100到120千克的推力。要知道一架戰(zhàn)斗機(jī)的推力大一分，其整體的戰(zhàn)斗力就大一分，像美國F404發(fā)動機(jī)的渦輪損失幾乎就是零。這里由于我們存在研制經(jīng)驗(yàn)少，所以我們的太行推力就略遜于俄羅斯的AL31F，但基本和AL31F保持一致，這里面的困難程度多少是有的。美國F404發(fā)動機(jī)的間隙很小，渦輪損失幾乎就是零 研制一臺出色的航空發(fā)動機(jī)還有一個問題，那就是裝配和試車。這里面就有一個人工問題了，那就是裝配師的技術(shù)。一個高明的裝配師傅和一個普通的裝配師裝出來的發(fā)動機(jī)，推重比可能就會高一點(diǎn)。我國發(fā)動機(jī)和發(fā)達(dá)國家的研制差距主要在于設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)上。比如，西方國家在研制發(fā)動機(jī)的時候會有很多領(lǐng)域的測試實(shí)驗(yàn)：有測壓氣機(jī)的，有測渦輪軸的，有測燃燒室的，有測葉片的，有測噴口的，有測加力的。這樣一來設(shè)計(jì)師就會對每一個部分的性能和壽命都了如指掌，也就知道了整個發(fā)動機(jī)的性能是如何的，要改進(jìn)也就容易多了。如果沒有這樣整個的一套測試平臺，我們就得用整臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行破壞性的測試，這就需要好多的發(fā)動機(jī)樣機(jī)了，成本也會很高。 渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的研制要求很高也體現(xiàn)在材料方面。葉片的材料要求就很難搞，用于葉片的材料是高材質(zhì)合金鋼，高材質(zhì)合金鋼里面要融合一定的鎳、鉻、鈦、鐵等元素在內(nèi)。這里還包括發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子的材料，因?yàn)檗D(zhuǎn)子離熱區(qū)域很近所以轉(zhuǎn)子最后一層的質(zhì)地是最好的。由于十幾級轉(zhuǎn)子的材料每一級都不相同，形狀卻一樣，但每一級的葉片長度又不同了，越往前的葉片，軸就越細(xì)，葉片就越長，越往后的，軸就越粗，葉片也就越短。直到了燃燒區(qū)后的兩級葉片長度最后就只有四厘米左右了。而越近的葉片材料也就越貴，最后這兩級的葉片價格可以說比得上黃金了。這兩級葉片到最后在2000度的高溫下融入后，無論你怎么破壞它，也不會發(fā)生變形。而葉尖處的軟材料，無論在外環(huán)上怎么劃，也不會劃出痕跡。如果一個國家沒有研制好材料那強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ)也是不可能完成航空發(fā)動機(jī)研制的。 在如發(fā)動機(jī)渦輪盤，目前較先進(jìn)的發(fā)動機(jī)都采用的是雙性能輪盤。這種輪盤在抗疲勞，和抗蠕變方面都不錯。這就是高新技術(shù)，這材料研制就是高技術(shù)性的。像西方搞出來個寬弦風(fēng)扇葉片制造技術(shù)，F(xiàn)119的發(fā)動機(jī)就采用了寬弦。這種高技術(shù)需要至少六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)來保證：鈦合金板和薄膜，蔭罩板，擴(kuò)散焊接，初步扭形，葉片形成和加工。這里還有很多很多像葉片氣動設(shè)計(jì)啦應(yīng)力共振分析等等，需要一個干凈清潔的環(huán)境車間才能搞出來，這對廠房的要求是很高的。為什么印度發(fā)動機(jī)搞了一半就困難重重直至沒了消息，一方面就是因?yàn)閲覜]有好的高技術(shù)工廠和先進(jìn)設(shè)備，另一方面自然是買了國外發(fā)動機(jī)后對自己的發(fā)動機(jī)研制項(xiàng)目沖擊較大而造成的。雖然我國在這方面有所成就，但整體上還是略遜于發(fā)達(dá)國家。國產(chǎn)4200公斤推力渦扇發(fā)動機(jī)，其整體采用了較先進(jìn)的高技術(shù)材料，適合軍用 關(guān)于渦扇發(fā)動機(jī)和進(jìn)氣道的關(guān)系，這點(diǎn)也想在這里說一說。渦扇發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道主要用于飛機(jī)飛行時從空中吸入空氣，適發(fā)動機(jī)在較高的飛行馬赫數(shù)下利用氣流速度減速增壓。并防止外來物體進(jìn)入以保護(hù)發(fā)動機(jī)的安全性。進(jìn)氣道的制造也是有較高要求的，如：必須以盡可能小的總壓損失來完成從高速的自由流動到發(fā)動機(jī)進(jìn)口所要求的減速減壓任務(wù)。還要從增壓過程中避免空間過大和氣流不勻稱性以減少風(fēng)扇和壓氣機(jī)振動和葉片振動的危險，外阻力要盡可能很小才可以。這就出現(xiàn)了發(fā)動機(jī)安裝和進(jìn)氣道配合的關(guān)系，在軍用方面，目前下一代發(fā)動機(jī)和進(jìn)氣道還要考慮到隱形性，包括噪聲減小，降低雷達(dá)目標(biāo)性等。發(fā)動機(jī)和進(jìn)氣道的配置在設(shè)計(jì)時還要考慮接通反推力裝置和推力矢量裝置對發(fā)動機(jī)最大的保護(hù)要求任務(wù)。這也是未來第四代戰(zhàn)斗機(jī)對發(fā)動機(jī)和進(jìn)氣道的研究關(guān)系是必不可少的一項(xiàng)。美國F-22的發(fā)動機(jī)F119PW-100就是一個很成功的例子。這里在次提下發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)119光測試加速實(shí)驗(yàn)就花了近6年的時間。多次的試驗(yàn)和較好的項(xiàng)目管理證明了F119的所有部件在試驗(yàn)結(jié)果后整體壽命時間都很長，保證了該發(fā)動機(jī)達(dá)到了滿足維修性、整體性能、操作性和結(jié)構(gòu)完整性的指標(biāo)。如果一個發(fā)動機(jī)的試車經(jīng)驗(yàn)多，管理好，那么發(fā)動機(jī)的測試性就越好，保證了發(fā)動機(jī)整體性能的了解。像F119在4000多飛行小時的試驗(yàn)中就沒有發(fā)生過一次故障，這大大縮短了該項(xiàng)目的研制周期。F119發(fā)動機(jī)正在進(jìn)行地面試車，可見二元矢量噴口，其整體技術(shù)代表了世界最高水平 未來發(fā)動機(jī)的研制是困難的，但我國的經(jīng)濟(jì)條件已經(jīng)不成問題，還是要多在技術(shù)指標(biāo)上，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和開發(fā)上多下足功夫。關(guān)于新型大推力發(fā)動機(jī)的研制國家其實(shí)在這幾年已經(jīng)意識到了并且很快的能找出自身的缺點(diǎn)并加大了研制力度。 目前世界大國對于下一代大推力發(fā)動機(jī)的研究還是主要體現(xiàn)在材料和工藝制造方面。這里包括我們國家都在進(jìn)行研制的材料有：推重比1520的高性能發(fā)動機(jī)復(fù)合材料。這種結(jié)構(gòu)屬于一種空心的、用連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦金屬基復(fù)合材料（MMCS）這種材料技術(shù)可生產(chǎn)出輕量，高密度，高強(qiáng)度耐沖擊破壞的風(fēng)扇葉片。這樣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)重量就有較大的減輕，下一代戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)斗力就會大很多。還有就是整體葉盤制造技術(shù)，這里所需要的技術(shù)又包括了段接和電子束焊接法，數(shù)控加工和電解加工等等。其他的如多孔復(fù)合層板構(gòu)造，浮壁式火焰筒，熱障涂層，靜止件制造，精密鍛造和噴射鑄造成形等技術(shù)等等在這里就不一一提到了。由此可見，下一代發(fā)動機(jī)的研制技術(shù)更加重視整合性，更加體現(xiàn)國防工業(yè)的高水平，這就要在國家各個高科技研究部門投入更大的資金來發(fā)展。也要提高國家整體工業(yè)的技術(shù)水平。國產(chǎn)9500公斤大推力輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)如果研制成功，中國就會躋身于世界前列 未來戰(zhàn)斗機(jī)的心臟我們不會受制于人，中國航空工業(yè)集團(tuán)在本次航展中已經(jīng)報(bào)道了我國下一代發(fā)動機(jī)研制的最新消息，其大推力發(fā)動機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)階段，和機(jī)體組件的分布測試。不過最終投產(chǎn)可能要到2020年，前期發(fā)動機(jī)可能會用俄羅斯的AL31F的升級版或AN41F發(fā)動機(jī)先代替四代機(jī)的試飛工作。