发动机研制的难点和目前中国的发动机技术浅谈

蓝天铁翼 收藏 1 2289
导读: [img]http://img2.itiexue.net/1227/12273590.jpg[/img] WS-9 [img]http://img11.itiexue.net/1227/12273575.jpg[/img] WS-10 [img]http://img4.itiexue.net/1227/12273592.jpg[/img] WS-13 [img]http://img6.itiexue.net/1227/12273594.jpg[/img] WP-13 [img]http:


发动机研制的难点和目前中国的发动机技术浅谈

WS-9

发动机研制的难点和目前中国的发动机技术浅谈

WS-10

发动机研制的难点和目前中国的发动机技术浅谈

WS-13

发动机研制的难点和目前中国的发动机技术浅谈

WP-13

发动机研制的难点和目前中国的发动机技术浅谈

WP-14

航空发动机体现了一个国家的整体工业水平,因为航空发动机的制造要求非常高,工艺精度非常细,航空发动机的研制本身就有着风险大,技术高,研制周期偏长,花钱巨大的多种因素在内。比如周期问题,为什么说它长,是因为研究的过程是非常复杂的,许多的设计理念都是靠专家们独自摸索的。发动机不是一个逆向学就能搞懂的。从设计样稿,到制造样机,在到实验,如果其中一个细节失败了就得重头来过,从新设计,在循环下去,直到各项指标均达到要求后才算结束。这点俄罗斯方面都会有许多的困难,其主要还是资金问题,其他方面如设计技术等相对来说很少。



首先我们说下发动机的基本常识,发动机大致分为活塞式和螺旋桨。这里包括柴油机,汽油机,和燃气涡轮机等,还有一种是冲压喷气式发动机,(这种发动机本身就有局限性,一般用在导弹和火箭上)由于字数问题前两者我们就不谈了,在这里我们主要说下燃气涡轮机。燃气涡轮机的构成大体部件可分为五个:进气装置、压气机、燃烧室、涡轮和排气装置。其中压气机,燃烧室和涡轮是最主要的,如果这三个出现一点问题,那么整个发动机的研制就会失败。燃气涡轮机里也分好多种,这里我们就提下涡轮风扇发动机,因为涡轮风扇发动机大多用在目前主力的二、三代战斗机中,是必不可少的关键。



我国在航空发动机的研究上大概有50多年,虽然研制时间较短,但我国也搞出了至少15种型号的发动机,这其中有买专利后研制的,也有仿制的,可以说,一直到现在我国的发动机也没有完全摆脱仿制的影子。但这是不得已的,我国也曾经试着自己设计发动机,但都没得到很好的结果。可以说走仿制的路子实是无奈之举。从当时的情况来看我国航空发动机的研究严重落后于其他国家,虽然走了很多弯路,但现在我们着实有了实质性的进步,太行发动机的出现使我国成为世界上第四个能独立研制航空发动机的国家,虽然目前和俄罗斯的AL31F相比还略有差距,但也是一款很不错的航空发动机了。



说道涡轮风扇发动机的研制,第一点就是加工了,可以说涡轮风扇发动机的加工是比较困难的,这一点不光是我们国家,西方发达国家也出过同样的问题。一个发动机生产工艺上的好坏决定了这台发动机的整体性能,从叶片上就可以分辨出来一个国家的制造工艺水平。就拿美国的F-18战斗机来说吧,它本身的F404发动机制造工艺就非常好,如在燃烧区的转子叶片,在受到高速旋转时所流出的动力时,还能很好的承受将近2000多度高温的冲击,这就要看一个国家的合金钢制造技术了,如果是用很好很耐热的合金钢做出的叶片,那这台发动机的寿命就会相对长些。目前俄罗斯的AL31F发动机也有不错的工艺,但相对美国来说要差许多,当然大部分国家还是不能制造出来的。我国的太行和昆仑叶片都是采用了合金钢,但这里相同的材料应用在发动机叶片上还有个加工问题,如果叶片加工的不精确,那叶片的形面重复率就很差,每组叶片就不会相同,发动机的性能就不好。还有就是发动机的叶片根部会有许多的小孔用来释放散热空气的,当发动机启动时,轮轴里传出来的散热空气会通过这些小孔后流到叶片外面去,叶片旋转时产生的热量就会减少。这些小孔是很关键的,每个孔的数量和形状都是计算过的,数量多了,承受转动力就不行,数量少了,放气就少,所以如果计算失误了就得重新设计。其实这些小孔就是制冷装置,你没有一个好的制造工艺是做不出这些小孔的,这也是目前大多数国家为什么没有能力独自研制发动机的问题之一。从我们的太行发动机来看,工艺方面很好了,甚至比俄罗斯的AL31F都好。



除了漩涡风扇发动机的加工技术要求较高之外,其国家整体的工业制造水平也要求很高,在这里简单说下研制发动机的几个重要工业技术:近无余量形成技术、计算机集成、复合材料加工、新切削加工技术、焊接技术、小孔加工技术、检验、防护涂层、热表处理技术。目前这些技术在单一情况下我们国家还是较先进的,关键问题是我们缺少设计合成的经验,所以,把这些技术融合在一台发动机上是很困难的。为什么说很困难呢?因为这里有个预算问题,一台好的发动机指标是耗油量少,维护费用低,重量相对轻,尽量缩短研制周期,这就需要这些技术共同计算加工了。如果制造技术好,那发动机的寿命就会很长,质量就很好。尤其是大推力发动机,里面的关键部件尺寸精度、形为公差精度还有装配单位都是毫米和微米。这样的精度是普通加工机床和人工无法来完成的。所以你得有非常先进的检测机器,自己的国家工业能制造出非常好的数控加工设备才可以。这也是我说的为什么一台发动机能显示出一个国家的工业实力。这里我还可以拿叶片举个例子。对于大多数三代发动机的叶片而言,根部的冷却小孔至少有七万或几十万个,这就是单晶空心叶片技术。而且每个孔的形状还不是一样的,有的深径比大,有的入射角小。平常的方法是做不来的,只有数控激光打孔才能搞的出来,所以叶片的质量就很高,这样一比,美国的数控激光打孔设备就是非常先进的。还拿美国的F404来说,由于叶片加工精细,所以在叶片旋转时和外环的摩擦力就很小,空气动力的损失就小,这里的动力间隙就越小,发动机的效率就越高。这里还有个装配问题,如果一个发动机制造出来后,假如它的间隙是1.3到1.5毫米之间的话,那么这个发动机的效率就会降低4%左右,如果这台发动机的推力是5吨的话,那么粗略算一下它至少没有了100到120千克的推力。要知道一架战斗机的推力大一分,其整体的战斗力就大一分,像美国F404发动机的涡轮损失几乎就是零。这里由于我们存在研制经验少,所以我们的太行推力就略逊于俄罗斯的AL31F,但基本和AL31F保持一致,这里面的困难程度多少是有的。



研制一台出色的航空发动机还有一个问题,那就是装配和试车。这里面就有一个人工问题了,那就是装配师的技术。一个高明的装配师傅和一个普通的装配师装出来的发动机,推重比可能就会高一点。我国发动机和发达国家的研制差距主要在于设计,经验和实验上。比如,西方国家在研制发动机的时候会有很多领域的测试实验:有测压气机的,有测涡轮轴的,有测燃烧室的,有测叶片的,有测喷口的,有测加力的。这样一来设计师就会对每一个部分的性能和寿命都了如指掌,也就知道了整个发动机的性能是如何的,要改进也就容易多了。如果没有这样整个的一套测试平台,我们就得用整台发动机进行破坏性的测试,这就需要好多的发动机样机了,成本也会很高。



涡轮风扇发动机的研制要求很高也体现在材料方面。叶片的材料要求就很难搞,用于叶片的材料是高材质合金钢,高材质合金钢里面要融合一定的镍、铬、钛、铁等元素在内。这里还包括发动机的转子的材料,因为转子离热区域很近所以转子最后一层的质地是最好的。由于十几级转子的材料每一级都不相同,形状却一样,但每一级的叶片长度又不同了,越往前的叶片,轴就越细,叶片就越长,越往后的,轴就越粗,叶片也就越短。直到了燃烧区后的两级叶片长度最后就只有四厘米左右了。而越近的叶片材料也就越贵,最后这两级的叶片价格可以说比得上黄金了。这两级叶片到最后在2000度的高温下融入后,无论你怎么破坏它,也不会发生变形。而叶尖处的软材料,无论在外环上怎么划,也不会划出痕迹。如果一个国家没有研制好材料那强大的工业基础也是不可能完成航空发动机研制的。



在如发动机涡轮盘,目前较先进的发动机都采用的是双性能轮盘。这种轮盘在抗疲劳,和抗蠕变方面都不错。这就是高新技术,这材料研制就是高技术性的。像西方搞出来个宽弦风扇叶片制造技术,F119的发动机就采用了宽弦。这种高技术需要至少六项关键技术来保证:钛合金板和薄膜,荫罩板,扩散焊接,初步扭形,叶片形成和加工。这里还有很多很多像叶片气动设计啦应力共振分析等等,需要一个干净清洁的环境车间才能搞出来,这对厂房的要求是很高的。为什么印度发动机搞了一半就困难重重直至没了消息,一方面就是因为国家没有好的高技术工厂和先进设备,另一方面自然是买了国外发动机后对自己的发动机研制项目冲击较大而造成的。虽然我国在这方面有所成就,但整体上还是略逊于发达国家。




关于涡扇发动机和进气道的关系,这点也想在这里说一说。涡扇发动机的进气道主要用于飞机飞行时从空中吸入空气,适发动机在较高的飞行马赫数下利用气流速度减速增压。并防止外来物体进入以保护发动机的安全性。进气道的制造也是有较高要求的,如:必须以尽可能小的总压损失来完成从高速的自由流动到发动机进口所要求的减速减压任务。还要从增压过程中避免空间过大和气流不匀称性以减少风扇和压气机振动和叶片振动的危险,外阻力要尽可能很小才可以。这就出现了发动机安装和进气道配合的关系,在军用方面,目前下一代发动机和进气道还要考虑到隐形性,包括噪声减小,降低雷达目标性等。发动机和进气道的配置在设计时还要考虑接通反推力装置和推力矢量装置对发动机最大的保护要求任务。这也是未来第四代战斗机对发动机和进气道的研究关系是必不可少的一项。美国F-22的发动机F119-PW-100就是一个很成功的例子。这里在次提下发动机的实验,F119光测试加速实验就花了近6年的时间。多次的试验和较好的项目管理证明了F119的所有部件在试验结果后整体寿命时间都很长,保证了该发动机达到了满足维修性、整体性能、操作性和结构完整性的指标。如果一个发动机的试车经验多,管理好,那么发动机的测试性就越好,保证了发动机整体性能的了解。像F119在4000多飞行小时的试验中就没有发生过一次故障,这大大缩短了该项目的研制周期。



未来发动机的研制是困难的,但我国的经济条件已经不成问题,还是要多在技术指标上,设计经验和开发上多下足功夫。关于新型大推力发动机的研制国家其实在这几年已经意识到了并且很快的能找出自身的缺点并加大了研制力度。


目前世界大国对于下一代大推力发动机的研究还是主要体现在材料和工艺制造方面。这里包括我们国家都在进行研制的材料有:推重比15~20的高性能发动机复合材料。这种结构属于一种空心的、用连续碳化硅纤维增强的钛金属基复合材料(MMCS)这种材料技术可生产出轻量,高密度,高强度耐冲击破坏的风扇叶片。这样发动机的结构重量就有较大的减轻,下一代战斗机的战斗力就会大很多。还有就是整体叶盘制造技术,这里所需要的技术又包括了段接和电子束焊接法,数控加工和电解加工等等。其他的如多孔复合层板构造,浮壁式火焰筒,热障涂层,静止件制造,精密锻造和喷射铸造成形等技术等等在这里就不一一提到了。由此可见,下一代发动机的研制技术更加重视整合性,更加体现国防工业的高水平,这就要在国家各个高科技研究部门投入更大的资金来发展。也要提高国家整体工业的技术水平。




未来战斗机的心脏我们不会受制于人,中国航空工业集团在本次航展中已经报道了我国下一代发动机研制的最新消息,其大推力发动机已经进入了实验阶段,和机体组件的分布测试。不过最终投产可能要到2020年,前期发动机可能会用俄罗斯的AL31F的升级版或AN41F发动机先代替四代机的试飞工作。时间方面较长也是有很多原因的,航空工业集团证实了第四代机体设计还要进一步完善,这样发动机才能有效合理的装配。中国下一代发动机将采用矢量喷口技术以及全数字化发动机控制系统,同时发动机推重比比现有发动机至少要提高近两个档次,所以大家要理解制造发动机的难处,俄罗斯在下一代发动机方面也存在很多问题何况是我国,目前中国起码是能够独立研制航空发动机的少数国家之一,这已经是很了不起的进步了。也希望我们在更高的研究领域中能取得不错的成果,最后在结束语中也祝福我们的未来战斗机正确早日安装上国产的强心脏。



9
回复主贴

相关文章

更多 >>
聚焦 国际 历史 社会 军事
1条评论
点击加载更多

发表评论

更多精彩内容

经典聚焦

更多
发帖 向上 向下
广告 关闭