浅谈航空发动机产业的主要特点以及瓶颈技术

2016-12-27孙玉奇南京航空航天大学能源与动力学院

大陆桥视野 2016年12期

关键词：压气机燃烧室涡轮

孙玉奇 / 南京航空航天大学能源与动力学院

孙玉奇 / 南京航空航天大学能源与动力学院

航空发动机，被誉为“工业之花”，是构成国家实力基础和军事战略的核心技术之一。发达国家在策略上对内优先发展，对外严密封锁。我国航空发动机研制任重道远，突破关键技术、走自主研制航空发动机之路是我国的必然选择。

航空发动机；核心技术；精益制造

1.航空发动机产业是保持大国地位的核心，是工业强国的象征。

美国政府一直严格控制航空发动机技术，不仅对我国保持封锁，甚至在某些核心技术上也对其欧洲盟友实行“禁运”。在未来 10 ～ 20 年，航空发动机产业仍然占据了美国国防科技战略的核心位置。同时，发达国家在人力资源方面实行看不见的封锁，不仅限制其他国家人员进入航空发动机核心研制领域，而且限制本国相关人才向国外转移，以此来保持产业实力。

2.航空发动机产业需要国家进行长期、稳定的扶持与投入。

航空工业是典型的高技术、高投资、高风险、高附加值和国际化的工业，而航空发动机更是如此，研制周期长、耗资巨大。根据国外经验，典型的发动机研制周期约为 8～14 年，整个发动机的使用寿命期约为 30 年。研制经费在历年增长，根据发动机型号大小、研制条件的不同，研制一台先进的大中型航空涡轮发动机，大致需要 15 亿～30 亿美元。美国长久以来一直通过国家长期、稳定的大力支持和投入，实施多项超前于具体型号的纯粹综合性技术研究性的中长期研究计划和短期专项研究计划，为发动机研制提供了充足的技术储备，降低了工程研制的技术风险，缩短了研制周期。正是因为这种长时间的巨额投入才保持了美国在航空发动机产业的领先地位。

3.航空发动机的技术门槛很高。

3.1航空发动机设计之难

在航空式发动机中，最关键的压气机、燃烧室、涡轮组成发动机的核心机。涡轮驱动压气机以每秒上千转的转速高速旋转，进入发动机的空气在压气机中逐级增压，多级压气机的增压比可达 25 以上。增压后的空气进入发动机燃烧室，与燃油混合、燃烧。要保持燃油火焰在以100m/s以上高速流动的高压气流中稳定燃烧，同时要保护燃烧室火焰筒壁不被高温燃气烧蚀，光靠选择耐高温材料和耐热涂层还不够，还要通过燃烧室结构设计，采取冷却手段，降低燃烧室筒壁温度，保证燃烧室正常工作。从燃烧室出来的高温、高压燃气流驱动涡轮叶片以每分钟数千转甚至上万转的转速运转，通常涡轮前温度要超过涡轮叶片材料的熔点。

除此之外，航空发动机的外部运行环境极其严苛，要适应从地面高度到万米高空缺氧环境、从地面静止状态到每小时数千米的超音速状态和从沙漠干燥环境到热带潮湿环境。总之，航空发动机需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下，到达数千小时的正常工作寿命，这就使得航空发动机的研制对结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、电子学、控制理论等学科都有极高要求。

3.2航空发动机材料之难

发动机最关键的是压气机、燃烧室和涡轮。特别是涡轮，在工作过程中，现代喷气发动机的涡轮叶片通常要承受 1600～1800℃的高温，同时还要承受 300m/s 左右的风速，以及由此带来的巨大的空气压力，在这种极为恶劣的工作环境下可靠工作成千上万个小时。如此恶劣的工作环境远远超出一般金属材料的能力，为此需要其他特殊的材料。这就是定向凝固高温合金、单晶、金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷基复合材料，如碳化硅纤维增强的陶瓷基复合材料，使用温度可达 1500℃，远远超过超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）。

目前中国在航空发动机的材料应用方面与国外的差距非常大，以至于中国民用的发动机全部依赖进口。军用发动机的材料应用也不甚理想，发动机的平均无故障时间，平均大修时间、平均寿命等关键指标与国外仍有较大差距。

航空发动机主轴承是航空发动机的关键部件之一，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性能、寿命和可靠性。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，完全可以满足大飞机发动机主轴承的寿命需求。而我国目前航空发动机的主轴承寿命基本在 900h 以内，主轴承寿命不如西方 1/10。但近年来我国在航空发动机方面取得了可喜的进展。

3.3航空发动机制造之难

要让航空发动机在极端苛刻的工作状态下保持足够的强度正常运转，发动机的制造除了需要新型耐高温材料外，还需要采用众多复杂先进的的制造工艺。

航空发动机的制造涉及材料、结构、焊接等众多难度极高的工业技术。如喷气式发动机上大量使用高强度材料和耐高温合金，零部件精度要求达到 μ m级，叶片型面复杂，燃烧系统和加力系统薄壁焊接零件多，大量使用定向凝固、粉末冶金、复杂空心叶片精铸、复杂陶瓷型芯制造、钛合金锻造、微孔加工、涂层与特种焊接等先进制造技术。如航空发动机整体叶盘，每个原始毛坯成本约二三十万，加工到成品要经过几十道工序、数百次换刀、上千次进退刀。A4 纸大小的整体叶盘叶片最厚2mm，最薄处只有 0.2 ～0.3mm，绝不允许有任何瑕疵。再如涡轮叶片需要精细设计制造出多通道空心涡轮叶片，利用气膜冷却降低叶片表面温度，以便发动机上叶片在极端苛刻的工作环境下满足发动机工作的需要。