航空发动机研制难点

航空发动机研制难点现在，在各行各业众多工业产品中，能够称得上是“工业王冠”的大概只有喷气航空发动机和微电子芯片了。“工业王冠”不单单反映的是喷气式航空发动机在技术层面的研制难度，也不仅仅阐明了航空发动机在飞机设计中属于“心脏”同样的核心地位，更阐明了在国家发展过程中航空发动机犹如“王权”普通高端的战略位置。但是我国偏偏在航空发动机研制过程中，长久处在“慢性心脏病”的状态，在追求“工业王权”的过程中，长久处在“知其然，不知其因此然”的境地。但是，在对航空发动机研制客观规律进行总结和对于国家发展有了更深层次的认识之后，我国在当今航空发动机技术发展的战略机遇期，不仅能够与航空强国齐头并进，还要创立属于中华民族的“动力王朝”。当代涡扇发动机构造极其复杂，图为GE90大涵道比涡扇发动机构造剖视图采用三维气动算法进行理论计算的压气机叶片如何组织燃料高效的燃烧而又不伤及本身，是燃烧室设计的核心问题带有冷却孔的涡轮叶片，采用了激光熔接技术，号称是世界上最难制造的零件之一。我国直到上世纪八十年代才开始的高推比核心机预研计划F119-PW-100堪称是世界第一发动机，可是只是美国第四代核心机的衍生产品而已，背面尚有三代……用于民航的大涵道比涡扇发动机，我国现在在这个领域没有自己的发动机型号。精心雕琢的工业王冠喷气式航空发动机的性能优势是建立在精巧的持续回旋转子构造上的，其研制难点也基本围绕这一种核心展开。当代飞机不停提高的战术技术指标对航空发动机提出了非常高的规定。高温、高压、高转速而又规定高可靠性、耐久性和维护性是其基本特点。在这些高而又互相矛盾的规定的推动增进下，航空发动机通过长时间的发展已经成为人类有史以来最复杂最精密的工业产品。压气机的作用是运用来自涡轮的能量对发动机进气进行压缩和增温。首先提高了进气分子活跃程度，更有助于提高燃烧效率。另外首先，增加了单位体积内的氧气含量，由于大气特别是高空大气的单位体积含氧量太低，远不大于燃烧室中的燃油充足燃烧所需的耗氧量。压气机的重要设计难点在于要确保效率、增压比和喘振裕度这三大重要性能参数满足发动机的设计规定。一种世纪以来，随着着气动热力学、计算流体力学的发展．压气机的设计水平在逐年提高。20世纪初采用螺旋桨理论设计压气机叶片，二十年代开始采用孤立叶形理论，三十年代中期开始采用叶栅设计理论，五十年代开始用二维设计技术，七十年代开始建立准三维设计体系，九十年代以来，航空界开始使用三维粘性流场分析设计体系对压气机进行设计。压气机设计理论、计算模型和设计系统在基础理论科研推动下不停进步跨越。即便是有先进的计算机辅助设计手段，如果基础科研理论没有进步，也无法在高性能压气机领域获得突破。由于压气机的逆压梯度相称大、需要对空气流场、温度场和压力场进行详尽的三维分析以及空气粘性计算极端复杂等因素，多级压气机级间匹配、不同工作状态下的性能优化非常困难。我国在航空发动机压气机设计和制造方面与世界航空强国的差距较小，这重要是源于我国在基础理论研究方面持续进行科研工作。1952年．吴仲华专家提出了Sl-S2流面理论，并在这一理论的基础上建立了压气机准三维设计系统，直到现在即使三维设计技术已经相对成熟，但是我国提出的准三维设计技术仍然是国内外压气机设计理论体系的核心。但是我国由于长久进行发动机仿制而不是设计工作，在压气机工程实用的设计规范和实验数据方面与国外先进发动机公司相比还存在相称大的差距。压气机背面紧跟的是燃烧室。通过压气机压缩后的高压空气与燃料混合之后将在燃烧室中燃烧，产生高温高压燃气来推动燃气涡轮运转并从尾喷口高速喷出从而产生推力。航空发动机对燃烧室的规定是：第一，燃烧室单位容积的发热量或者说是热容强度要很高。通俗的说，就是要燃烧室在尽量小的容积里完毕高压空气与燃料的混合与充足燃烧。当代航空发动机的燃烧室长度普通只有十几厘米，而燃烧室进口与出口的温度差则高达数百甚至上千度。这样高的温升对于燃烧室构造设计、冷却设计和材料耐热能力都提出了极端规定。现在航空发动综合应用浮动壁火焰筒，多孔冷却火焰筒，多孔层板火焰筒等技术提高燃烧室温升，从而根本上提高发动机性能。第二，要确保足够高的燃烧效率。这需要燃烧室采用三维数值计算和模拟技术，高紊流度强旋流构造，双旋流的空气雾化喷嘴，带旋流的预混喷嘴，强旋流混合头部等技术来增强燃料与空气的掺混，提高燃烧效率。第三，确保通过燃烧室后的气体达成所需的温度并规定出口温度场相称均匀。燃烧室的背面是涡轮，如果气流温度不均匀，有的地方特别热，有的地方特别冷（相对的冷，温度仍在千度左右），涡轮就会受不了--同一种涡轮叶片，转到热的地方就膨胀，转到冷的地方就收缩，一来二去，叶片很快就会发生金属疲劳，减少了使用寿命。燃烧室的设计难点在于，油气二相混合物的流动特性既不同于液态，又不同于气态，这种流场很难建立精确的数学模型。因此，燃烧室的设计过程很大程度上是通过实验来进行的，需要完善的实验设备和较长的实验时间。现在我国在太行发动机上突破了三代航空发动机高温升燃烧室技术，燃烧室温升能够达成800K-850K，但是此时美国采用温升上千度瓦片浮壁燃烧室的F119-PW-100第四代航空发动机已经开始服役。美国已实施的发动机热端部件技术计划(HOST)和现在正在进行的高性能涡轮发动机技术综累计划(IHPTET)，针对燃烧室进行了大量的预先研究并已获得明显技术进步。能在高温、高压和高速条件下稳定工作就是当代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本规定。对于气流而言，温度、速度和压力是亲密有关的三个参量，于是，三高规定最后就体现在尽量提高涡轮进口温度上面。并且，涡轮进口温度，也就是平时说的涡前温或者燃烧室出口温度，是航空发动机最核心的循环参数，是影响航空发动机效率、推力和总体性能的最核心参数。为了确保涡轮材料不被高温燃气所融化，涡轮普通都要采用复杂的冷却手段，例如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。需要锻造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题，这项技术至今被人称作是“工业王冠上的宝石”。另外现在航空发动机领域大行其道的单晶涡轮叶片逐步普及使用。单晶叶片就是只有一种晶粒的锻造叶片，整个叶片在内部晶体构造上没有应力集中和容易断裂的单薄点。现在航空强国在开发更高冷却水平的单晶叶片，如对开叶片、扩散连接的叶片及多孔层板叶片，预计冷却效果可达400℃-500℃。高性能水平的叶片已是集先进的材料、先进的成型工艺和先进的冷却技术以及先进的涂层于一体。我国航空发动机研制的困难和性能差距重要就体现在涡轮叶片以及涡轮盘材料和工艺两个方面。在上世界70-80年代国外在材料和工艺方面进展突飞猛进，我国却由于历史因素错过了机遇时期。在国外第三代航空发动机早已采用并成熟实践的材料中，单晶涡轮叶片和粉末冶金涡轮盘我国至今尚未在第三代航空发动机“太行”上应用。而单晶涡轮叶片和粉末冶金盘的特性是航空发动机性能和先进性最核心的确保。研制先进材料需要较长的时间并含有较大的风险，我国以往在航空发动机研制上采用以型号带开工业的方针，试图通过上型号的方式来提高整个航空工业水平。于是，与型号有关的材料和工艺研究在型号立项之时才开始搞。通过较短的时间无法完毕先进材料和工艺的科研任务时，就必须修改发动机设计指标、造成航空发动机研制周期大大延长甚至致使型号研制失败。而国外广泛开展各项预研工程积累科研和工业实力，在需要进行型号研制时，立刻就能拿出现成的材料和加工工艺。近年来，我国也开始反思教训，学习国外先进经验开始进行预研工程，预计在十一五和十二五期间，这些基础研究项目将大量的开花成果。航空发动机作为需要漫长研制时间来精心雕琢的“工业王冠”，其本身的技术难度即使达成了人类工业领域的顶峰，但是我国航空发动机发展史证明，突破技术并不是最大的“拦路虎”，重要的是对航空发动机研制需要长时间，大投入和基础科研的特点有清晰的认识。从对的的认识出发，制订基础科研和工程发展久远规划，并且按照规划矢志不移的进行持续科学的科研管理是航空发动机成功研制发展的唯一发展方略。它山之石：航空发动机研制经验谈以发动机技术为核心的气动热力学、材料学、构造力学和构造设计技术以及工艺技术构成的核心技术体系已经成为航空强国战略发展的重要支柱，也是我国现在少数几个没有获得完全突破的技术体系之一，堪称发达国家最后的“工业堡垒”。与我国发展航空动力“以型号牵引技术甚至是整个航空动力工业水平”的老方针不同的是，欧美等航空强国极其重视基础研究和预研，其强大的法宝能够总结成三个核心词：预研工程，核心机计划，发动机系列化。事实上，这三个核心的概念和理念是不可分割的一种整体，其构成了发达国家在航空动力发展上的整个思路体系的主干。航空发动机的研究和发展分为：基础研究、探索发展（应用研究）、预先发展和工程发展。中国和往往是有了具体工程发展型号的时候，才去搞基础研究、探索发展（应用研究）、预先发展，打算通过一种型号带动整个航空动力产业的进步。而这条道路是不适合航空动力型号研制的客观规律的。航空发动机特别是军用大推涡扇机是一种国家工业和科研体系最高的技术成就，发展科学不能有太强的功利色彩，等到需要的时候再去从头研制总是远水解不了近渴。核心机从物理概念讲，是在燃气涡轮发动机中由高压压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮构成的核心部分，它不停输出含有一定可用能量的燃气，因此又称为燃气发生器。从技术途径讲，是运用在探索发展（应用研究）得到验证的先进部件构成核心机。其重要特点是叶片比较短小，工作环境温度高、压力高、转速高、承受的应力大，在使用中这部分的故障率多。因而采用的工艺复杂，材料昂贵，其研制成本和研制周期在发动机研制中所占比重大，成为航空发动机研制中重要难点和核心技术最集中的部分，也是航空发动机先进性和复杂性的集中体现。发动机系列化的最重要途径是保持一台成熟的核心机基本几何参数不变的条件下，通过变化电扇或低压压气机直径和级数以及涡轮的冷却技术或材料来变化发动机的重要循环参数，如压比、涵道比、空气流量、涡轮进口温度等，从而获得不同性能和用途的发动机。在同一核心机上配上不同的“电扇、低压涡轮、加力燃烧室等低压部件及有关系统”，就能够以较低的风险研制出覆盖一定推力（功率）范畴的一系列发动机。满足不同用途飞机对动力的需要，从而实现核心机的多用途目的。视燃气向涡轮转化能量的比例不同，核心机能够衍生出不同的发动机类型。如果燃气转化到涡轮的能量重要用于驱动压气机以持续完毕热力学循环，而仍然含有相称热能和动能的燃气从喷口喷出，也就是运用燃气的反冲作用作为发动机重要动力来源，这就是喷气式航空发动机。如果燃气能量重要用于推动涡轮以及涡轮带动的螺旋桨转动，燃气本身动力作用较小或者基本能够无视，这就是涡轮桨（轴）发动机。如果在涡轮后再加上一种不联动压气机的自由动力涡轮专门用于尽量的将燃气热能和势能都转化为转子动能从而作为动力，这就是舰用或者工业用燃气轮机。以燃气发生器为核心机衍生出的各类发动机的核心优点是功率密度极大。在燃烧方面，燃气发生器通过压气机将空气多级压缩，当代航空发动机的压气机能够将进气压力提高至原则大气压的九倍以上，而往复活塞发动机采用活塞压缩和单级涡轮增压辅助方式对空气进行预压，增压幅度非常有限。蒸汽轮机则基本上就是常压状态组织燃料燃烧。增压充足、温度较高的空气不仅仅单位体积氧气含量更高，并且分子活跃度很高，在这种状况下燃烧效率会非常高。并且当代航空发动机采用气动掺混、旋流掺混等手段对进气和燃料进行充足的混合，更提高了燃烧效率。燃气发生器将燃气热能和动能转化为转子动能是通过燃气直接冲击涡轮叶片实现的，涡轮持续性被冲击转动，从而实现持续的能量转化。而往复活塞式发动机则需要活塞通过静止-加速-减速-静止-反向加速的过程，这就造成活塞带动的主轴速度提不上去，功率密度受到很大限制。蒸汽轮机即使也采用了涡轮作为能量转化方式，但是由于燃烧、锅炉和复杂的管路设计重量巨大、体积庞大，功率密度相称低。运用多用途核心机发展系列发动机的道路始终受到了航空发达国家的高度重视，并成为发动机系列发展的重要技术途径。美国正是把上述三个科研和研发理念贯彻到了发动机发展的始终，才锻造出世界上最顶尖最先进的军用和民用动力型号。美国从20世纪60年代开始．由军方和政府相继实施了十几个航空动力研究计划，增进了推重比为l0一级发动机和先进民用动力的研制和发展从1988年开始，由美国军方、政府和工业界联合组织实施了“高性能涡轮发动机综合技术”(IHPTET)计划。在该计划获得巨大成功的基础上。美国又从开始实施IHPTET计划的后续计划“经济可承受的通用先进涡轮发动机”(VAATE)计划。这两个计划的共同特点是不针对具体发动机型号．而是重视于核心技术的研究和实验验证．为型号发展提供技术基础和直接的技术支持。迄今为止，美国已经研制出七代核心机，而现在最先进的第四代航空发动机仅仅是美国第四代核心机衍生的成果，这反映了在航空发动机领域美国极强的科研实力和潜力。正视较大技术差距，我国也意识到以往在发展航空动力型号上的认识误区与偏差，开始了自己核心机预研计划。国内根据国外的核心机及验证机发展途径，结合我国航空发动机研究和发展的经验，在《航空发动机研究和发展暂行规定》中已明确，“预先发展阶段的重要工作是在模拟环境条件下进行全尺寸的先进部件、燃气发生器（核心机）和验证机的实验研究，验证部件性能和部件间的匹配，以及构造的可靠性和耐久性”。国内从1980年开始的第三代发动机技术预先研究。进入上世纪90年代后，我国的航空动力工业进入了黄金发展时期。国家开始大力投入基础设施建设并支持各类型号的立项和预研工作。工业“王权”：航空发动机的战略价值江泽民总书记曾经指出：在国防科技领域，我们要重点研究开发某些核心技术。掌握这些技术，是实现我国新时期军事战略的需要，也是整个当代化建设事业发展的需要。而航空发动机研制就是少数几个能够关乎国民经济发展和国家安全的核心技术。只有认识到航空发动机研制的极端难度和战略作用，采用符合客观实际的科研途径，才干使我国航空发动机研制突破瓶颈，前途光明。国家战略发展要找到适宜的契合点和支柱产业，这需要对于国家本身发展模式以及世界发展客观规律有着深刻的洞察力和系统的认识。世界上公认的大国强国没有一种不是航空强国。航空之因此不约而同的成为大国强国的战略发展重点，是与当代社会迈进发展的三个支柱——能源、信息和运输是分不开的。能源是世界的动力，信息是社会的神经，而运输就是国家的血脉。航空是人类迄今为止速度最快的运输方式，飞机运用其本身突出的机动性从很大程度上让“地球缩小”了。因而，发展航空工业、建设民航体系是一种当代化大国迈进无法回避的一步。现在波音和空客基本垄断了全球民航飞机研制，通用电气、普惠和罗罗公司基本垄断了大型民航飞机发动机研制。我国民航尚未装备一型以国产发动机为动力的干线或者支线客机。建立在国外动力系统上的航空工业和民航不仅在技术层面没有选择权，甚至会影响国民经济独立自主的迈进发展。在军用领域，航空兵最大的优势仍然是机动性，以飞机为机动平台、装备有各类先进传感器、精确打击武器和通信指挥设备的当代航空兵体系是现在常规战争最有效率也是最可怕的作战力量。“拥有天空就拥有胜利”已经成为当代战争的真理。飞机作为航空兵唯一作战平台，其机动性决定于航空发动机的好坏。没有性能优良的航空发动机，没有自主研制的航空发动机，在当代战争中就无法有效争夺制空权，无法对敌方进行持续快速的精确打击，祖国的领空和国土就可能遭受到敌方航空兵的凌虐。现在当代海军作战舰艇的动力系统也普遍采用由航空发动机上衍生而来的舰用燃气轮机，不突破航空发动机研制技术体