淺談航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的主要特點(diǎn)以及瓶頸技術(shù)

孫玉奇 / 南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院

淺談航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的主要特點(diǎn)以及瓶頸技術(shù)

孫玉奇 / 南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院

航空發(fā)動機(jī)，被譽(yù)為“工業(yè)之花”，是構(gòu)成國家實(shí)力基礎(chǔ)和軍事戰(zhàn)略的核心技術(shù)之一。發(fā)達(dá)國家在策略上對內(nèi)優(yōu)先發(fā)展，對外嚴(yán)密封鎖。我國航空發(fā)動機(jī)研制任重道遠(yuǎn)，突破關(guān)鍵技術(shù)、走自主研制航空發(fā)動機(jī)之路是我國的必然選擇。

航空發(fā)動機(jī)；核心技術(shù)；精益制造

1.航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)是保持大國地位的核心，是工業(yè)強(qiáng)國的象征。

美國政府一直嚴(yán)格控制航空發(fā)動機(jī)技術(shù)，不僅對我國保持封鎖，甚至在某些核心技術(shù)上也對其歐洲盟友實(shí)行“禁運(yùn)”。在未來 10 ～ 20 年，航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)仍然占據(jù)了美國國防科技戰(zhàn)略的核心位置。同時(shí)，發(fā)達(dá)國家在人力資源方面實(shí)行看不見的封鎖，不僅限制其他國家人員進(jìn)入航空發(fā)動機(jī)核心研制領(lǐng)域，而且限制本國相關(guān)人才向國外轉(zhuǎn)移，以此來保持產(chǎn)業(yè)實(shí)力。

2.航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)需要國家進(jìn)行長期、穩(wěn)定的扶持與投入。

航空工業(yè)是典型的高技術(shù)、高投資、高風(fēng)險(xiǎn)、高附加值和國際化的工業(yè)，而航空發(fā)動機(jī)更是如此，研制周期長、耗資巨大。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，典型的發(fā)動機(jī)研制周期約為 8～14 年，整個(gè)發(fā)動機(jī)的使用壽命期約為 30 年。研制經(jīng)費(fèi)在歷年增長，根據(jù)發(fā)動機(jī)型號大小、研制條件的不同，研制一臺先進(jìn)的大中型航空渦輪發(fā)動機(jī)，大致需要 15 億～30 億美元。美國長久以來一直通過國家長期、穩(wěn)定的大力支持和投入，實(shí)施多項(xiàng)超前于具體型號的純粹綜合性技術(shù)研究性的中長期研究計(jì)劃和短期專項(xiàng)研究計(jì)劃，為發(fā)動機(jī)研制提供了充足的技術(shù)儲備，降低了工程研制的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了研制周期。正是因?yàn)檫@種長時(shí)間的巨額投入才保持了美國在航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位。

3.航空發(fā)動機(jī)的技術(shù)門檻很高。

3.1航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)之難

在航空式發(fā)動機(jī)中，最關(guān)鍵的壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪組成發(fā)動機(jī)的核心機(jī)。渦輪驅(qū)動壓氣機(jī)以每秒上千轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣在壓氣機(jī)中逐級增壓，多級壓氣機(jī)的增壓比可達(dá) 25 以上。增壓后的空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室，與燃油混合、燃燒。要保持燃油火焰在以100m/s以上高速流動的高壓氣流中穩(wěn)定燃燒，同時(shí)要保護(hù)燃燒室火焰筒壁不被高溫燃?xì)鉄g，光靠選擇耐高溫材料和耐熱涂層還不夠，還要通過燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采取冷卻手段，降低燃燒室筒壁溫度，保證燃燒室正常工作。從燃燒室出來的高溫、高壓燃?xì)饬黩?qū)動渦輪葉片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)甚至上萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，通常渦輪前溫度要超過渦輪葉片材料的熔點(diǎn)。

除此之外，航空發(fā)動機(jī)的外部運(yùn)行環(huán)境極其嚴(yán)苛，要適應(yīng)從地面高度到萬米高空缺氧環(huán)境、從地面靜止?fàn)顟B(tài)到每小時(shí)數(shù)千米的超音速狀態(tài)和從沙漠干燥環(huán)境到熱帶潮濕環(huán)境?？傊?，航空發(fā)動機(jī)需要在高溫、高寒、高速、高壓、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、缺氧、振動等極端惡劣環(huán)境下，到達(dá)數(shù)千小時(shí)的正常工作壽命，這就使得航空發(fā)動機(jī)的研制對結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、氣體動力學(xué)、工程熱力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、流體力學(xué)、電子學(xué)、控制理論等學(xué)科都有極高要求。

3.2航空發(fā)動機(jī)材料之難

發(fā)動機(jī)最關(guān)鍵的是壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪。特別是渦輪，在工作過程中，現(xiàn)代噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪葉片通常要承受 1600～1800℃的高溫，同時(shí)還要承受 300m/s 左右的風(fēng)速，以及由此帶來的巨大的空氣壓力，在這種極為惡劣的工作環(huán)境下可靠工作成千上萬個(gè)小時(shí)。如此惡劣的工作環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般金屬材料的能力，為此需要其他特殊的材料。這就是定向凝固高溫合金、單晶、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料，如碳化硅纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料，使用溫度可達(dá) 1500℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）。

目前中國在航空發(fā)動機(jī)的材料應(yīng)用方面與國外的差距非常大，以至于中國民用的發(fā)動機(jī)全部依賴進(jìn)口。軍用發(fā)動機(jī)的材料應(yīng)用也不甚理想，發(fā)動機(jī)的平均無故障時(shí)間，平均大修時(shí)間、平均壽命等關(guān)鍵指標(biāo)與國外仍有較大差距。

航空發(fā)動機(jī)主軸承是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在高速、高溫、受力復(fù)雜的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其質(zhì)量和性能直接影響到發(fā)動機(jī)性能、壽命和可靠性。目前國外發(fā)達(dá)國家航空發(fā)動機(jī)主軸承的壽命均能達(dá)到 1 萬小時(shí)以上，完全可以滿足大飛機(jī)發(fā)動機(jī)主軸承的壽命需求。而我國目前航空發(fā)動機(jī)的主軸承壽命基本在 900h 以內(nèi)，主軸承壽命不如西方 1/10。但近年來我國在航空發(fā)動機(jī)方面取得了可喜的進(jìn)展。

3.3航空發(fā)動機(jī)制造之難

要讓航空發(fā)動機(jī)在極端苛刻的工作狀態(tài)下保持足夠的強(qiáng)度正常運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)的制造除了需要新型耐高溫材料外，還需要采用眾多復(fù)雜先進(jìn)的的制造工藝。

航空發(fā)動機(jī)的制造涉及材料、結(jié)構(gòu)、焊接等眾多難度極高的工業(yè)技術(shù)。如噴氣式發(fā)動機(jī)上大量使用高強(qiáng)度材料和耐高溫合金，零部件精度要求達(dá)到 μ m級，葉片型面復(fù)雜，燃燒系統(tǒng)和加力系統(tǒng)薄壁焊接零件多，大量使用定向凝固、粉末冶金、復(fù)雜空心葉片精鑄、復(fù)雜陶瓷型芯制造、鈦合金鍛造、微孔加工、涂層與特種焊接等先進(jìn)制造技術(shù)。如航空發(fā)動機(jī)整體葉盤，每個(gè)原始毛坯成本約二三十萬，加工到成品要經(jīng)過幾十道工序、數(shù)百次換刀、上千次進(jìn)退刀。A4 紙大小的整體葉盤葉片最厚2mm，最薄處只有 0.2 ～0.3mm，絕不允許有任何瑕疵。再如渦輪葉片需要精細(xì)設(shè)計(jì)制造出多通道空心渦輪葉片，利用氣膜冷卻降低葉片表面溫度，以便發(fā)動機(jī)上葉片在極端苛刻的工作環(huán)境下滿足發(fā)動機(jī)工作的需要。

4.總結(jié)

進(jìn)入新世紀(jì)，中國航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域既面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，又有著良好的歷史性發(fā)展機(jī)遇。

加快航空動力發(fā)展，根治飛機(jī)“心臟病”，已經(jīng)引起黨中央、國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，航空動力已經(jīng)列入國家高科技重點(diǎn)工程。相關(guān)專家學(xué)者還在不斷呼吁將航空發(fā)動機(jī)進(jìn)一步列為國家重大專項(xiàng)。中國航天業(yè)取得了舉世矚目的業(yè)績和成就,但仍與世界先進(jìn)水平有一定的差距,我們?nèi)孕杓泳o步伐,付出更多的努力去追趕去超越。