航空发动机制造难在哪?
容定RD  发表于2020-2-22 11:47 阅读: 712 回复: 7
发动机这个东西自打发明出来一直发展到现在,它的基本工作原理就没变过,但是它的制造工艺却一直在更新换代。就发动机的核心机方面,美国已经研制到第七代了,这其中每一代的制造技术相对于上一代都是变革性的发展和突破。

在军用大推力发动机的技术上,能自行制造12吨以上推力的第三代航空发动机的国家全球只有三个,分别是美、俄、中。

2018年11月6日举行的珠海航展上,我国首次公开展示的歼-10B推力矢量验证机所用的发动机是涡扇10B发动机,涡扇10的性能指标与美国的第三代发动机F110相当,F110是F-15、F-16战斗机的动力装置。

目前我国以涡扇15为代表的第四代航空发动机已经在研制的过程中了,距离强力推出应该也只是时间问题。涡扇15相当于目前美国F-22战斗机使用的F119发动机,已经属于第四代机。

可以说经过我国这几十年的奋起直追,在军用发动机研制上我国已经将与美国的差距从60年缩小到20年左右了。这个发展速度非常惊人,要知道这几十年美国可不是原地不动,相反地,美国在这方面无论是政策还是资金的投入都是相当可观的。

但是在大推力、大涵道比、高性能的民用涡扇发动机研制方面,我们的差距还很大、非常大。这方面的技术全球只有美、英两家并驾齐驱、遥遥领先。如果说美、英分别排第一和第二,那么现在连第三都没有,追赶的国家连这两家的尾灯都看不见。

前苏联研制的推力最大的D-18T发动机,就是装在那个有六个发动机的安-225上的发动机,相当于GE在七十年代中期的水平。
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(安-225运输机是苏联在1985年因应当时暴风雪号航天飞机与其他火箭设备的运输需求,由安东诺夫航空科技技术联合体研制设计的,最大起飞重量640吨,货舱最大载重250吨,机身顶部最大载重200吨,机身长度84米,翼展88.4米。安-225运输机仅生产了一架,现归乌克兰所有。)

我国自主研发的CJ-1000涡扇发动机,其技术能达到三代机的水平,相当于美国90年代的水平。在2018年底,首台CJ-1000验证机整机点火成功,但距离量产、投入商用还有漫长的道路要走。这还没有考虑真正用起来的可靠性,可靠性的验证更需要时间。

其实民用涡扇发动机的技术含量要比军用发动机要求更高一些。首先是在材料强度方面,民用涡扇发动机的叶片要大得多,转动起来产生的离心力更大,这就对它的强度和结构要求更高了。其次是要耐用,民用发动机对使用寿命要求很高,只有达到一定小时数才有商用的价值,美英研制的涡扇发动机使用寿命动辄就上万小时。

这跟军用发动机不一样,**子研制发动机的套路就是寿命不重要,简单粗暴有推力就行。据说是他们研究过二战的历史,发现真正到了战场上,战斗机和坦克的平均寿命也就一百多个小时,之后就被摧毁了,发动机使用寿命的长短根本不重要。我国最早之前学**子,但毕竟我们脑子不傻,家里矿也没那么多,后来开始俄、美两条路都学,还是比较注重发动机寿命的,但这个指标并不是军用发动机首要考虑的。

我国的民用涡扇发动机研制技术与世界一流国家的差距是方方面面的,但是最主要的差距是在航空材料和锻造工艺上。说起航空材料,这一直是我国航发人心中的痛,很多人都觉得我国航发技术发展的瓶颈就在材料上。其实严格意义上不能这么说,但是航空材料确实在其中发挥了重要的作用。

航空发动机追求的是在有限的空间内和极端恶劣的条件下(高温高压高应力),能够保证长期并且稳定的动力性能,而这极端恶劣的条件所考验的正是发动机的制造材料。

发动机的结构这里就不多做介绍了,在之前的文章《发动机是怎么启动的?这个视频图文并茂地告诉你》中提到过,感兴趣的同学可以看一下。发动机内的高压压气机、燃烧室和涡轮一般被称为发动机的核心机,是整个发动机技术含量最高的部分。
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航空发动机的核心机
核心机中所面临环境条件最极端的部分是涡轮叶片。有研究标明:燃气进口温度每提高55℃,推力就能提升10%,所以为了获得推力,发动机的设计会让燃气温度尽可能地高。这就导致涡轮叶片工作环境的温度往往超过了1600℃,远高于目前制造叶片用的镍基合金的熔点。镍基合金的熔点大约在1400℃左右,熔点是个温度范围,往往在这个温度范围之下金属就会软化,无法使用。一般金属最多在0.8~0.85倍的熔点温度范围以下能够正常使用。

所以涡轮叶片面临的第一个问题就是如何在高温环境下工作。其实原理说其来很简单,一个是用耐高温材料,第二个是采取冷却手段,但做起来就不是那么回事了。

说到耐高温材料,我们要先说说高温下的材料会发生什么。涡扇发动机工作时的平均转速在每分钟一万到两万转左右,叶片承受着非常大的离心应力。在这样的离心力下,如果再加上高温环境,材料会发生蠕变,通俗地讲就是软化,叶片会被拉长变形甚至拉断。因此叶片对材料在高温环境下的强度和抗蠕变性能要求很高。

较早之前发动机叶片的材料是钛合金,目前我国研制的CJ1000无法算作四代机的原因就在于它的叶片材料是钛合金。而目前世界上先进的发动机叶片材料采用的是镍基合金,镍基合金在高温环境下的抗蠕变性能是最好的。

镍基合金包含的成分有铬、钴、钼、钨等很多元素,每个元素都有重要的作用。要想合金达到最佳性能,各种元素的成分比例也都是确定的,了解材料学的人都知道,这个成分比例就是一套密码,而这套密码正是我们发动机研制路上还未越过的一道坎。

此外,在自然冷却的情况下,合金都是由一个个小颗粒组成,这些小颗粒被称为晶粒(晶体颗粒),而晶粒之间的边界叫晶界。晶界是强度相对较弱的环节,所以先进航空发动机都采用的是单晶叶片,也就是说整个叶片是一颗完整的晶粒。在单晶叶片中,金属原子都依附在一个晶核外按顺序排列。在这种排列顺序下,原子间的作用力是非常大的,它的许用拉应力也就非常大,从而大大增加了叶片的强度。

我国在2014年已经成功迈过了单晶叶片这道坎。下面是一个罗罗公司的关于单晶叶片制造的视频,感兴趣的话可以看一下。

经过上面的技术和工艺,一个叶片能够承受的温度最多也就到1000℃左右,距离工作环境的温度1600℃还有一定距离。接下来就要采取一些冷却手段,让到达叶片的温度不会随着环境上升到那么高。

首先是气膜冷却,就是在涡轮叶片内部制造出非常复杂的气体冷却通道并在叶片上打出冷却孔。把压气机里温度相对较低的压缩气体引到叶片,并通过叶片上的冷却孔释放出来,形成一道低温气膜,来隔绝高温燃气的温度,但是这两种气体互相作用又不会降低高温燃气的推力。带有冷却孔的叶片的样子是这样的:

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所以涡轮叶片是在单晶叶片的基础上还要求得是空心结构,并且内部空心结构还要有特殊的走向和构型,用于引流冷却气体。而且为了避免分体铸造造成的应力集中和结构缺陷,叶片是要求一次性铸造成型。每一道工艺的增加在制造难度上都是成倍地递增。

好在我国在空心叶片和气膜冷却技术上目前都有所突破,CJ1000A发动机采用的就是宽弦空心风扇叶片。

即便做到这些,叶片所能承受的温度和环境温度还是有一定差距,剩下的就要靠热障涂层了。热障涂层作为最后一道屏障为合金再次屏蔽大量的燃气热量,150微米的热障涂层能够使叶片表面的温度降低约170℃左右。热障涂层的材料除了合金材料还有抗氧化和陶瓷材料,这又是一套套的材料密码等着我们去破译。

上面说的这些仅仅只是围绕发动机的涡轮叶片这一个部件的耐高温性能而产生的技术难题,还没涉及到叶片振动、构型等一大堆特性要求。每增加一项要求,发动机的制造难度就要增加几倍,并且还经常面临要在这些特性之间做出取舍的困境。

其实发动机很多部件的原理和设计图我们都能做出来,就是限于工艺水平而无法制造出来实物。再举个简单的例子:

航空发动机有个部件叫控制器,控制器里有个活门,活门上的活塞两边有液压油。设计要求这个活塞两边的油得是封闭的,所以活塞与活塞腔之间的缝隙要很小,小到油都过不去。但是活塞又不能死死地压在活塞腔上,因为要求活塞还得能自由移动、旋转。

这就要求制造时对于缝隙的尺寸控制精度极高,只要有个纤维或者一点灰尘进去,活塞就被卡死了。所以装配厂房要求得是无尘环境,里面工人的穿着跟手术室的医生一样。一般零件掉在地上,我们捡起来接着用,要是这个活门掉在地上,直接就报废了。

我看有的资料上说中国的民用涡扇发动机技术跟美国相差50年,但这并不是说我们需要50年才能达到美国现在的水平,就像军用发动机一样,真正要奋起直追,我觉得这个时间会缩短很多。军用发动机之所以能在短短几十年就发展成这样的水平,说明我们的潜力和能力是毋庸置疑的。

民用涡扇发动机之所以发展缓慢,一方面是客观环境相对优越,别看欧美卖给咱们的飞机那么贵,这点钱比起我们自己从头研发所需要投入的费用简直是太便宜了,所以买国外的发动机其实是省了钱。另一方面是民航飞机的发动机即便都是从国外买的也不会涉及到国防安全的问题,所以拿来主义让我们轻轻松松就成了民航大国。但是军用发动机就不能用拿来主义了,战斗机的发动机如果都用国外的,真要干起仗来,咱们腰杆是挺不直的。

(文中图片源于网络,如需声明版权请联系我)

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  • 轻轻而来   发表于2020-2-22 13:50:07   沙发
    在一个视能不择手段赚快钱为成功人士、能人的地方,一切需要工匠精神、经年积累、基础研发、科学教育体系等等“百年老店”式产品/技术/工艺都是“难”的,又何止航空发动机?
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  • zhouxd   发表于2020-2-22 16:44:57   板凳
    买别人的东西可以上下其手。自己做?让当官的找聪明人做,不说这些聪明人比较倔,等做出来了连官都要被抢走,岂有此理!!!
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  • zhouxd   发表于2020-2-22 16:51:35   地板
    中国做得好的产品基本都是抄国外的,然后自己再改进。连狼为的核心技术都是外聘的毛子做的。毛子对5G没兴趣,挖人就挖吧。但发动机还算是吃饭家当。
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  • ENGINE-POWER   发表于2020-2-22 20:41:22   5#
    航空发动机一直搞不好,社会大环境是一方面,但不可否认中国的牛人还是非常多的,只是没能用在刀刃上,看看大疆和华为就知道,想搞还是可以的,连GE自己都说他们至少90%的零部件从中国采购,国家应该鼓励和支持民企来搞发动机,国企的体制已经用整整半个世纪来证明了其根本扶不了墙,再给商发10年估计长江1000还是半成品,总之,期待能有良心大资本召集有识之士共铸“中国芯”吧,唉,发动机专业的表示真TM心酸
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  • callmechen   发表于2020-2-24 08:41:12   6#
    ENGINE-POWER 发表于 2020-2-22 20:41
    航空发动机一直搞不好,社会大环境是一方面,但不可否认中国的牛人还是非常多的,只是没能用在刀刃上,看看 ...

    大疆华为那些电子类产品跟发动机还是没法比。发动机代表整体国力,涉及诸多基础学科建设和工业水平。
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  • hoho315ztw   发表于2020-2-24 09:30:12   7#
    ENGINE-POWER 发表于 2020-2-22 20:41
    航空发动机一直搞不好,社会大环境是一方面,但不可否认中国的牛人还是非常多的,只是没能用在刀刃上,看看 ...

    GE说零件国外采购,但是我觉得还是在核心技术上人家自己掌握,比如上文说的,合金材料各种材料配比等。就像餐厅一个菜的秘制酱料,煮酱料的各种材料都是市场上常见的,采购的,但是各种材料放到锅里去煮的配比和时间就是核心技术了。不知道我这样想对不对。
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  • liuchunx2000   发表于2020-2-24 09:36:58   8#
    轻轻而来 发表于 2020-2-22 13:50
    在一个视能不择手段赚快钱为成功人士、能人的地方,一切需要工匠精神、经年积累、基础研发、科学教育体系等 ...

    是啊,只要能赚钱的就是成功人士,只要会唱歌的就能挣大钱,没有人会低下头,埋下身子去做基础工作。
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