中国航空发动机如何突破瓶颈?

拜仁内切罗老汉


本来不太想写的,看到那么多说材料的,就把自己的想法说一下!

航发是一个系统高度集成的工业品,也是分成几代的,目前主流是三代和四代!

三代大推有美国的f100/f110系列,俄国的al31系列,中国的太行!三代中推有美国的f404,俄国的rd33/93,法国的m88,中国的涡扇13!材料多样!

四代大推目前服役的只有美国的f119/135,在研的俄国产品30,中国涡扇十五!四代中推美国的f414,英国的ej200,在研的中国涡扇19(进度比涡扇十五快)!均采用三代高温合金叶片!

以上是介绍,让大家有个初步认识,下面具体说说我国航发工业水平!

在14年初至前,我国三代大推很不稳定,故障频发,于是中国材料不行,中国工艺不行的段子满天飞,到今天依然很有市场!直到小日本的xf5-1小推力发动机出来后,才有聪明人反应过来,该发动机用豪华的四代材料做出了一个推力不到8的三代小推力发动机(四代航发用第三代材料),涡前温度高的吓人,推力让人笑掉大牙,于是聪明人发现了问题,太行和美国f110是表兄弟,为什么太行的材料和工艺都要比f110要好?于是乎,根源找到了,根本的设计能力不行,这才是中国航发落后的关键!

有人说航发就是看材料,对也不对,比如太行和110推力差不多,撇开国家让不懂发动机的人来看(不让他知道发动机哪个国家的),太行用了部分三代材料和工艺,110没有用,很多人看了,这不说明太行材料更好,更先进吗?而让懂得人来看,一定会说一句,艹,垃圾设计,居然要用下一代材料来补设计不足!

航空发动机的核心技术是什么?设计和经验的积累!美国的f110为了一个燃烧室,好像做了2700个模型去一个一个试,所以航发是设计并一个一个试出来的,美国英国设计的多,自然积累深厚,内功强,不需要华丽的招式!

中国目前的困境是什么?时间,我们的积累太薄,设计经验太浅,还需要一步一步的走,没有捷径,等我们经验积累的差不多了,我们的航发就真的赶上来了!


狸花猫22


每日点兵,为您解答

瓶颈?你这是污蔑啊。哪儿来的瓶颈……瓶颈那是有一个地方卡住了,奈何现在是处处都卡住……

我国航空发动机产业面临三大问题,首先是基础加工工艺不合格,其次是品控问题,最后是工程设计。

一、基础加工

根据中航工业南方航空动力机械公司关于《某航空发动机三联轴承故障分析》。在对问题发动机检测的时候,发现1#轴承内环前半环(带油孔槽的半内环)滚动面存在着严重的磨损和脱落现象。并且9个钢球表面均出现不同程度的磨损和轻微脱落。

在归纳总结原因时,该文章直言不讳的讲到,由于轴承组装问题,导致零件出现磨损和脱落现象。

二、品控问题

根据中国航发南方工业有限公司在2017年8月发表的《某新型发动机一级主动齿轮断裂原因分析》。该型发动机一级齿轮主动断裂的原因就是在零件渗碳层深度不合格。这里就反映出品控问题。

按道理来说,品控管理做的好的话,是不会出现这样的问题的。因为材料在进入工厂的时候,都会有检查。如果不合格的话,肯定会返厂的。但通过该论文所讲述的内容,检测人员没有这样做,反而让这些不合格材料进入工厂。

能让整天报喜不报忧的官方媒体公然承认错误,足以说明问题的严重性!

三、工程设计问题

其实这个对于我们来说不是什么大问题,也情有可原。众所周知,我国航空发动机起步较晚,跟西方差距较大。像我国的太行发动机,它的高压级照搬美国通用动力公司F110发动机的相关构型。一般来说,航空发动机的高压级和低压级是要匹配的,这样才能形成完整的双转子发动机。结果我们没有像F110发动机那样的低压机。结果只能抄Al31发动机的方案。奈何AL31的旋转方向跟F110是反着的,导致风扇的气流进入高压压气机的时候紊乱,匹配困难。而且两个轴相对转速两万多转,比正常高几倍,两轴之间的中介轴承根本顶不住。


诸葛小兵兵


中国的航空发动机一直是所有国人关心的话题。

长久以来被人们形象的称之为心脏病!虽然近年来,我国在航空发动机领域投入巨资进行研发。像Ws10、Ws10A、ws15、ws18和ws20动发动机相继露面,我国空军也已经开始了试飞工作。但这里可以很明确的告诉大家。中国的航空发动机与美国的差距一点也没变小。反而有被拉大的趋势。



也许看到这里很多人要开始喷了。别急,看完下面的内容再喷不迟。

先让我们来看看美国上个世纪的一款发动机,最具代表性的就是SR71黑鸟侦察机的J58发动机。这是一款变循环发动机,可以在涡轮喷气和压气机辅助冲压发动机之间进行变循环。也是至今唯一一款可以持续使用加力燃烧室的军用发动机。可以让黑鸟长时间以3倍音速飞行,其中间推力25,000磅(110千牛),加力推力达到34,000磅(150千牛)。而这只是美国上世纪60年代的发动机。



再来看看现在,前不久美国刚刚完成了了F35战机使用的普惠F135发动机的升级计划,它可提高F-35飞行包线6-7%的推力,并减少6%的油耗。改进后推力由之前的43000磅,增加到45000磅(20411/204.12kN),使得人类在研发的战斗机的发动机推力首次突破20吨大关:达到20.4吨。再次刷新了由它保持的世界纪录。


这个数字有多可怕?20.4吨是俄罗斯苏57战机上的AL41发动机的1.39倍,是苏35战机发动机的1.44倍,是我国引进的AL31发动机的1.65倍。

所以说,现在网络上高喊的弯道超车,突破瓶颈还太早了。美国近百年的航空发动机技术积累不是说超越就能超越的。我国唯一能作的只能是慢慢积累,航空发动机技术不可能一撮而就。没有长时间的积累不可能突破瓶颈。


大宝视频


说起这事,我先说一个题外话。80年代末我国搞了个“桑塔纳”国产化工程,为了尽快形成我国的“造车”能力,工业部门经过技术摸底,提出了7年之内国产化率80%的死命令!不要笑,中国当时的工业基础就是这水平。



同样80年代末期,我国得到了cfm56这一款涡扇发动机核心机,立即动手仿制核心机,进而研发出涡扇10。而同时歼10也一并开始研发,当时是准备把仿制好的涡扇10发动机装到歼10上。


美国f110发动机,也是cfm56衍生而来

中国信心满满,却被薄弱的工业基础浇了个透心凉,仿制过程极为曲折艰难,基本难以为继。而此时歼11和歼10飞机的研制却稳步进行,鉴于我国已经把三代机的动力全压在了涡扇10上,跪着也得走完,10年时间过去,涡扇10才进入PFRT阶段。严重滞后的进度让我们不得已求助俄罗斯帮我们改了al31-fn装在歼10上应急。一直到2000年,工业部门才拿出来了个不怎么能用的涡扇10。要想装到飞机用上还得继续对这个涡扇10大改,又过了十年,直到2010年,大改的涡扇10,也就是涡扇10A才完成定型。达到了设计的要求,随后开始大批量生产。

图为涡扇10A

涡扇10A从仿制核心机到批量生产,用了整整一代人!涡扇发动机不是说玩就能玩的起来的,任何一个部件体现的都是整个国家的工业实力,为了一个涡轮叶片,我国曾经艰难攻关五六年。看起来突破了一个瓶颈,马上又会接着来一个瓶颈。没有雄厚的工业实力,想走到最后那简直是做梦。就像印度的涡扇发动机计划,都上了高空台,最后还不是难以继续,只能下马。

下一代涡扇15发动机


资料图

想突破瓶颈,必须是整体突破,差了哪一点都搞不成航空发动机。现在我国的涡扇发动机离美国的技术还差了一代,正在奋力追赶,再着急也没有用,美帝多厉害,当年f15也还不是趴了好几年窝,赢得了“机库皇后”的称号。这个东西当年只有等到整个工业实力起来了,打通了发动机的所有技术,才能真正解决问题!


一坑四弹


中国的航空发动机一直是空军的“心脏病”!


使用俄制AL-31FN发动机的歼-10战斗机


使用俄制RD-93发动机的歼-31发动机

而对于航空发动机,业界有一个对它特定的评价,即被誉为是“工业制造业皇冠上的明珠”,由此,也可以表明航空发动机在工业制造业方面的地位!

目前,无论是在军用还是民用方面,美国在航空发动机领域处于领先地位,其次是欧洲、俄罗斯。

F-35战斗机使用的F-135发动机

F35B战斗机采用的F-135发动机衍生型号F-135-600发动机

通用的GEnx发动机,C919的LEAP发动机的原型


我国在航空发动机方面还处于追赶的位置,正努力缩小与先进水平的差距。在民用航空发动机方面,我国还尚未有成熟的产品,虽之前也做过不同型号的研发,但距实际应用还有不小差距。如配套C919的“长江1000”发动机(CJ1000),仍处于研发阶段。
国产CJ1000大涵道比涡扇发动机模型

在军用航空发动机方面,情况比民用领域要好,我国独立研制的“太行”发动机以及其他的改进型号,经过近30年的不断努力,目前已经批量装备中国空军,为空军现代化提供了有力支持。但总体来讲,我们的技术水平相对美欧主流还比较落后,如不加快脚步,存在被进一步拉开差距的风险。



“太行”发动机

个人的理解,在航空发动机领域如想有所突破,应从以下几个方面着手:

(1)开发高性能材料:高性能材料研发高端航空发动机的基础。由于工作环境的特殊性,发动机结构部件需要经受极端的考研,如材料性能不达标,必然无法实现高性能指标,此方面已有一点进展。
国产高性能航空发动机材料研发成功新闻发布会


(2)高端加工工艺:航空发动机对零部件加工、装配工艺要求极高,略微的偏差都可能造成性能大幅下降甚至发生事故。以发动机叶片为例,需要根据流体力学要求具有三维复杂曲面,同时,还需在极小的空间内留有冷却流道,难度可知一斑。
“罗.罗”公司生产的叶片结构图(劳斯莱斯哦)

(3)先进的设计理念:传统的航空发动机结构,其性能潜力已挖掘的差不多了,想要进一步大幅度提升性能,必须有新的设计理念,如下一代航空发动机技术路线之一的自适应变循环发动机等,这方面美国也已走到前列,并开始进行工程验证试验,预计最快2020年试飞。


GE和普.惠联合研制的自适应变循环发动机结构示意图

(4)核心人才和有效的制度:任何技术的发展和载体都是人,如何充分发挥人的才能,那就需要有效的制度。航空发动机研发是一项基础和延续性很强的任务,很多基础性的理论和数据是不可能外传的,因此,不太可能有捷径可走,需要具有高度专业性的技术人才潜心研究,但由于各种各样的原因,这两个方面目前仍有很大提升空间。

诚然,我们的航空发动机技术与美、欧最高水平确实存在不小的差距,但近些年也取得了较大的进步,下一代高端航空发动机也在研发阶段,可能不久的将来就会面世,届时将进一步缩小差距。


中国军用航空发动机图谱

上图红圈内即为“太行”发动机,其右上角为传说可能是我国下一代航空发动机的为涡扇-15发动机。


以上为个人的理解,欢迎关注、讨论交流。


威呐解析


我国的航空发动机如果想要突破目前的瓶颈,需要解决三大问题,第一个是全寿命问题,第二个是推力增加问题,第三个是扩大产能问题。这三个问题其实都不容易解决。

图为美国在测试其推力最大的战斗机发动机,F135。


以我国目前推力最大的发动机太行WS10和正在研发的最先进的发动机涡扇15为例子。涡扇10太行发动机的改进型, 也就是WS10A的寿命是3000小时,翻修间隔是1200小时,平均无故障时间是500小时,这还是已经用了快10年,通过不断的发现问题、改善性能得到的最好数据,他的推力是13.2吨,比起美国的F119发动机的15.5吨推力要小2吨多,但是寿命还短了2000小时以上,近乎于只有美国F119发动机一半的寿命。

图中这架歼10B战斗机使用了一台新型三维矢量发动机。


而涡扇10太行发动机的增大推力改进型,也就是涡扇10B则只有2000小时的全寿命,无故障间隔仅仅300小时,推力为14吨,比起F119发动机小了1.5吨,所以这就体现出我国航空发动机在寿命和推力上的问题。要增大推力,必然降低寿命,因为增大推力意味着更高的涡轮前温度,但是如果发动机涡轮盘叶片不能承受高温,那么就会带来降低寿命的困扰,但是寿命降低到一定程度就不能再低了,所以只能是采取其他的办法了。

目前在歼20战斗机上使用的就是太行发动机,型号应该是WS10B。


比如更换材料,使用新的耐高温材料。目前,能够采用的最先进的耐高温材料无非是大量添加了铼金属的单晶叶片,但是这样的单晶叶片生产成本高,而且铼很难获得,所以限制了我国航空发动机单晶材料水平的提升,也由此影响到了发动机寿命的提高。同时,加工的精细度业还需要提升,我国的航空发动机之前都很少用到激光焊接、切割等设备,这导致了发动机的加工精细度不足,所以发动机的故障率比较高。

图为我国涡扇15发动机的设想图。


以涡扇15来看的话,我国已经再这些方面取得了一些突破。涡扇15发动机的推力达到了18吨,和美国推力最大的F135发动机的推力是一致的,寿命也是3000小时,说明我国已经在发动机的材料和加工技术上获得了巨大的进步,起码涡扇15是要比美国F22上用的F119是更强的了,但是仍然距离F135有一些差距,毕竟F135在推力18吨的情况下,寿命也有5000多小时,而且还计划增推到22吨,所以我们要做的工作还有很多。


海事先锋


中国在涡喷涡扇发动机领域与美国差距较大,原因很多,比如文革,技术封锁,资金人才等等这里不一一说明。但是如果想要缩小这个差距也不是没有可能。比起传统发动机领域,中国在新概念发动机领域与美国的差距要小的多,比如超燃冲压发动机,脉冲爆震发动机,ATR发动机,全电发动机,多核心发动机等等。这些新概念发动机领域中美差距长的只有10年左右,有些甚至领先美国。涡扇涡喷只不过是航空发动机里面的冰水一角,未来的航空发动机将迎来百花齐放的局面。

中国想要突破瓶颈缩短与美国的差距,只能是跨越式发展,将重点放到新概念发动机上。就像汽车领域中国重点发展电动车而非燃油车,计算机领域重点发展量子计算机而非电子计算机一样,都是为了未来能追上世界领先水平。


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