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深度解读:制造航空发动机究竟有多难
王强 2017-07-03
导语

航空装备中,最受关注的就是飞机的心脏——航空发动机。

编者按:本文来源微信公众号“飞行世界”(ID:AerospaceWorld)本文原刊于瞭望东方周刊,作者:万宏蕾。

航空装备中,最受关注的就是飞机的心脏——航空发动机。

被称为“工业之花”的航空发动机,是典型的技术、知识双密集型高科技产品。在军用航发领域,只有美、俄、英、法四家可以独立研制和发展一流水平的发动机,而民用航空发动机市场的门槛更高。

目前真正具有技术和商业优势的只有美、英、法三国的四家公司:美国通用电气航空集团公司(GE航空)、普惠公司(P&W)、英国罗罗公司(R&R)以及法国斯奈克马公司(SNECMA)。

“这四家公司在全世界民用发动机市场份额接近90%。”国防973首席科学家、北京航空航天大学能源与动力工程学院院长丁水汀告诉《瞭望东方周刊》。

上世纪80年代,当美国F-15战斗机已经开始安装推重比达到8的F-110发动机,而同一时期的中国还在落后的涡喷发动机上苦苦挣扎。如今,即便我们在四代发动机上取得了巨大进步,“但这种差距仍达到30年。”丁水汀说。

作为世界第一制造大国,为什么中国此前造不出性能先进的航空发动机?航空发动机的难点究竟在哪里?

▍内部压力三倍于三峡大坝底部

“航空发动机是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术,本身具有超常的难度。”北京航空航天大学航空发动机结构专家杜发荣告诉《瞭望东方周刊》。

喷气式飞机发动机就像是一个两端都开口的圆筒,从前端吸入的空气经过压气机、燃烧室等一系列内部结构,变为高温、高速燃气从后端喷射出去,产生向前的反推力。

“因此,航空发动机需要在高温、高压、高速旋转的条件下工作,对研制的要求很高。”丁水汀研发团队成员刘江补充。

以罗尔斯公司为A380生产的发动机为例,起飞时,4台发动机可以产生近18万匹马力,相当于上千辆普通家用轿车的动力,其内部最高温度在1700摄氏度以上,大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点。

同时,发动机内部压力达到50个大气压,相当于3倍的蓄满水后三峡大坝底部压力;涡轮叶片就像一个冰块,在高温炉中旋转,上面还挂着四辆奔驰轿车。这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。

而面对经过压气机而来的高速气流,燃烧室的火焰如何保持稳定亦是一大难点。“打个比方,要保持燃油火焰在每秒100多米高速流动的高压气流中稳定燃烧,与在狂风中保证手中火炬不灭一样困难。”刘江说。

另外,航空发动机的主轴承,也是关键部件之一,要在高速、高温、受力复杂的条件下运转,其质量和性能直接影响到发动机的性能、寿命、可靠性。目前,国外发达国家航空发动机主轴承的寿命均能达到1万小时以上,国内基本在900小时以内。

单独来看,高温、高压和高速,的确可以通过一些技术手段解决,但航空发动机还有“体积要小、重量要轻、寿命要长、可以重复使用”的要求,这意味着难度成倍增加。

比如,宇宙飞船、火箭同样面临高温的难题,但因其不用过于考虑体积限制,因此可以在高温处覆盖隔热瓦;海洋装备面临着高压问题,但可以把发动机做得大一点,解决压力、强度问题;导弹动力、火箭动力虽然也有不少相通的要求,但其都是一次性使用,航空发动机则不可以。

“设计航空发动机,就是要在这些苛刻、甚至互相矛盾的约束条件下使性能得到最大发挥。”杜发荣解释。

必须“烧钱”试验

航空发动机的另一个难点在于,这是一项涉及空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程,“到现在都还不能从理论上给予详尽而准确的描述,只能依靠大量的实际发动机试验。”丁水汀解释。

因此,一款航空发动机设计制造出来后,必须做大量的试验进行验证,以充分暴露问题。

“包括零件试验、部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验等等,一级一级往上做,一项都不能少。”杜发荣说。

比如美国、英国的航空发动机的地面试验和飞行试验所用发动机台数少则50台、多则上百台,发动机地面试验都要上万小时,最高达16000小时以上,飞行试验则需5000小时以上。

判断高性能航空发动机的主要指标,最常用的有推力、推重比、发动机效率和燃油消耗率、加速性能、工作稳定性、环境适应性、隐身性、寿命,还可以加上发动机噪声、污染、维修性、保障性以及几何尺寸、重量和价格等。

由于航空装备的特殊性,这些数据只能靠自己试验获得,绝对无法照抄。可以说,“航空发动机不单是设计出来的,更是反复试验出来的,一定程度上就相当于直接‘烧钱’”。刘江说。

“比如,做整机试验时需要几千小时,甚至上万小时,真的‘烧’发动机。”刘江说,“按照规范,一些疲劳寿命等性能指标,试验累积不到一定时数,就无法知道达不达标。试验暴露出的问题,改进后还要继续试验。”

“有些就是破坏性试验,需要破坏零件或整机。如涡轮盘破裂试验,做完就报废,而且一做就是几十个盘,因为要累积数据。再比如民用飞机发动机中的风扇包容试验和鸟撞试验,试验需要损毁整台发动机。”刘江说。

这些,意味着巨额的研发投入。

据统计,过去50年,美国投入航空发动机预研经费就超过1000亿美元。装备美国第四代飞机F-22的F119发动机,从最初的部件研究到具备完全作战能力,历经32年,其中仅验证机研制和原型机研制就投入31亿美元。

“不过,研发过程虽然‘烧钱’,但是最终成果应用的时间也会很长,一款定型的航空发动机甚至可以用三四十年。”杜发荣说。

发动机装配主要采用手工方式

作为一项难度极大的系统工程,高性能的航空发动机要通过不断进行结构创新,才能达到先进的总体设计和高循环参数要求。

而这些挑战极限的参数要求,最终都要落实到发展尖端的材料、制造工艺上,比如高强度、耐高温材料——钛、镍、铝、镍基、钴基超耐热合金等。

此外,“在实验室制造一片发动机叶片与批量生产数以千计标准化且性能可靠的叶片是两回事。”杜发荣说,一台喷气式发动机往往需要400~500片各类叶片,稳定的量产质量是发动机制造业的必需。

在产品制造的最后环节,装配质量在很大程度上决定了产品的最终质量。“为了保证装配完成后达到规定的结构强度、空气动力性能等指标,航空发动机对装配的要求非常高,尤其是结构装配。”刘江补充说。

由于航空发动机零部件型号规格相似、数目繁多、结构外形复杂,装配工艺也非常繁复,加上发动机装配还主要采用手工方式,装配精度高低和装配质量稳定依赖于装配工人的操作经验和熟练程度。

以前我们对装配工作重视不够,也吃了不少亏。可以说,“航空发动机就是现代技术和传统技艺的集成。”杜发荣解释。

与材料和工艺技术的差距相比,中国自主发展航空发动机的更大难题是航空发动机人才的缺失与工业基础薄弱。

作为典型的传统工科专业,这一领域的院士都年龄偏大,最小的也超过70岁,且面临后继乏人的困境。

“你看现在年轻人谁喜欢报考机械专业?中国顶尖工程技术人才严重短缺的局面短期内无法缓解。”身为高校院长的丁水汀说。

随着现代技术水平不断提升,航空发动机的复杂性和集成度在不断提升,今后再想通过仿制来完全掌握先机发动机技术的可能性越来越小。

“历史的教训告诉我们,花再大代价也买不来航空发动机先进的设计、试验、制造、材料技术,我们必须坚定不移地走自主创新之路。”丁水汀分析,“眼下,不管是国家战略还是技术储备,中国的航空发动机研制已进入最好的时候。”

除本文外,专家早前也有过一些观点:

著名航空动力专家刘大响院士曾撰文认为中国航空发动机研制较世界先进水平主要存在五点较大差距:

1.基础研究薄弱,技术储备不足,试验设施不健全;

2.国家经济相对落后,研制经费严重不足;

3.对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足;

4.基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复;

5.管理模式相对落后,缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划。

中国航空发动机技术路线图

航空发动机产业是指涡扇/涡喷发动机、涡轴/涡桨发动机和传动系统以及航空活塞发动机的集研发、生产、维修保障服务的一体化产业集群。航空发动机产业链长,覆盖面广,对国民经济和科技发展有着巨大带动作用。

需求

未 来十年全球涡扇/涡喷发动机累计需求总量将超 7.36 万台,总价值超4160 亿美元;涡轴发动机累计需求总量超3.4 万台,总价值超190 亿美元;涡桨发动机累计需求总量超1.6 万台,总价值超150 亿美元;活塞发动机累计需求总量超3.3 万台,占60%以上通飞动力市场,总价值约30 亿美元。同时,国内干线客机对大型涡扇发动机的市场累计需求总量超 6000 台,总价值超500 亿美元,而低空空域的开放也将进一步刺激通用飞机对涡轴、活塞等发动机的需求量。

目标

2020 年, CJ-1000A 完成型号研制;1000kgf 级涡扇、1000kW级涡轴等完成论证和型号研制;航空活塞发动机实现产业化;部分产品开始抢占国内飞机市场,开拓售后服务市场,进一步扩大中国航空发动机产业。

2025 年, CJ-1000A 商业服役;1000kgf 级涡扇、1000kW 级涡轴等重点产品完成适航取证;5000kW 级涡桨等完成型号研制。实现自主研制的首型先进大型民用涡扇发动机在国内商业服役,使中国航空发动机产业进入世界第一梯队。

发展重点

1. 重点产品

(1)大涵道比大型涡扇发动机

CJ-1000A 涡扇发动机,用于国产干线客机C919。

宽体客机涡扇发动机,用于中俄联合研制的宽体客机。

(2)中/小型涡扇/涡喷发动机

7000-11000kgf 级齿轮传动涡扇发动机,用于喷气支线飞机。

5000kgf 级涡扇发动机,用于喷气支线飞机或公务机。

1000kgf 级小型涡扇发动机,用于7-8 座轻型公务机。

(3)中/大功率涡轴发动机

1000kW 级涡轴发动机,用于新型5 吨级直升机。

8000kW 级大功率涡轴发动机,保障未来重型直升机需求。

(4)大功率涡桨发动机

5000kW 级涡桨发动机,用于未来涡桨支线客机及中小型运输机。

(5)航空活塞发动机

200kW 航空活塞发动机,重油、航空生物燃料等安全低碳燃料,功重比大于3,耗油率不大于235g/kWh,直联输出活塞发动机,用于轻型通用飞机和无人机。  

2. 关键零部件

(1)先进大涵道比风扇系统

宽弦弯掠设计的钛合金/树脂基复合材料风扇和复合材料风扇机匣,涵道比>8,级压比达到1.6。

(2)先进高级压比高压压气机

级数9-11、压比>20 的多级轴流式高压压气机。

(3)先进低污染燃烧室

出口温度>1700K,满足国际民航组织 CAEP/8 的 COx、UHC、NOx 和烟排放要求。

(4)单晶/陶瓷基复合材料高压涡轮叶片

单晶/陶瓷基复合材料,耐温能力>1700K,效率>0.91,2 级总膨胀比>4.8。

(5)先进健康管理系统

含状态监视、故障诊断与处理、故障预测和寿命管理,能显著提高任务安全性和可靠性,并降低寿命周期成本。

(6)先进高性能长寿命传动系统

含长寿命重载轴承、高功率减速器和高转速传动系统,转速>20000rpm,轴承 TBO>5000 小时,最大传递功率>3000kW,减速器最大功率>15000kW。  

(7)先进全权限数字电子控制系统

飞行/推进综合主动控制,耐温能力>220℃,系统成本降低50%-60%。

3. 关键共性技术

(1)先进总体设计及验证技术

含先进航空动力总体设计与集成验证技术,飞发一体化设计与验证技术等。

(2)高效高稳定裕度压缩系统技术

含低噪声大尺寸风扇/增压级技术,轴流/离心/组合压气机技术,高速螺旋桨/桨扇系统技术等。

(3)高性能、低排放燃烧室技术

含高热容环形/回流燃烧室技术,陶瓷基复合材料燃烧室技术,低排放组织燃烧技术、长寿命火焰筒技术等。

(4)高负荷、高效率、长寿命涡轮技术

含单晶/陶瓷基复合材料涡轮叶片技术,无导叶对转涡轮技术,变转速动力/低压涡轮技术等。

(5)先进航空发动机设计/试验/综合维护保障技术

含先进信息化技术,以及设计/试验/制造/维护保障一体化平台技术等。

(6)航空发动机关键件再制造技术

含涡轮叶片、涡轮盘等关键件再制造、无损检测、涂层恢复技术,再制造/设计制造共用技术等。

应用示范工程

1. 航空发动机集成验证技术应用示范工程

形成航空发动机整机试验体系,建设整机地面试验台、高空试验台、飞行试验台等共性平台,以应用于航空发动机集成验证示范。

2. 航空发动机先进材料与制造应用示范工程

形成先进材料与制造研发体系,建设钛合金、高温合金、先进复合材料等的绿色制造、精确制造和智能制造的研发与验证体系,推广在航空发动机行业的应用,以满足研制周期和经济可承受性需求。

3. 商用航空发动机运营示范工程

开展商用航空发动机适航取证和运营示范,不断提升产品性能和安全性,提高航空发动机市场竞争力,以满足航空公司和乘客的需求。

4. 航空发动机智能化生产线示范工程

运用数字化、信息化、智能化技术升级发动机生产线,实现设计、制造数字化交互协同,建成典型航空发动机产品的智能化生产线,具备敏捷制造和柔性制造能力,满足航空发动机快速研发和智能生产的需求。  

5.航空发动机关键件再制造示范工程

利用先进的表面工程等再制造技术,实施航空发动机涡轮叶片、涡轮盘等关键件再制造,建立航空发动机再制造与设计制造的反哺互动机制,研发攻关发动机再制造关键专用装备。

战略支撑与保障

1.加强航空发动机发展顶层规划,尽快实施航空发动机重大专项,为航空发动机产业战略升级奠定基础。

2.加大国家战略性新兴产业来培育航空发动机市场,通过适航当局的适航取证和国际适航双边协议,为国产航空发动机参与国际竞争创造条件。

3.构建航空发动机智慧创新平台,建成智能化的产品设计/制造/试验/服务保障一体化平台,促进发动机产业发展。

4.加强航空发动机适航能力和人才队伍的建设,提高适航审定和验证能力,增加适航审定机构和人才队伍,满足民用航空发动机产业发展需求。

5.加强航空基础技术投入和基础工业建设,强化材料制造等通用/基础技术工程化应用开发,推进航空发动机自主创新发展。

素材来源:瞭望东方周刊 历史资料等

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作者 王强

硕士研究生

西北工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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