涡轮发动机

航空发动机为何那么难？航空涡扇发动机技术含量极高，被誉为“工业王冠”。随着中国航空工业的井喷式发展，近年来，每当有一款国产新型战机首飞，网友们最关心的往往已不是飞机的性能，而是这款飞机是不是采用国产发动机。就目前来说，答案往往是令人失望的，航空发动机为何那么难？中国人就造不出先进的航空发动机吗？我们先认识一下现代的先进航空发动机，现代战斗机、军用运输机、民航干线客机等采用的都是涡轮风扇发动机。简单来说，涡扇发动机有2个同心圆涵道，由风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等5部分组成。其中压气机、燃烧室和涡轮又往往被合称为发动机的核心机。战斗机用涡扇发动机，与运输机、民航客机的区别主要在于风扇，客机的发动机一般采用大直径风扇，可降低耗油率；战斗机的发动机风扇直径一般较小，以进行超音速飞行。空气从涡扇发动机的进气口流入，经过压气机压缩后，在燃烧室与煤油混合燃烧，高温高压燃气经由涡轮、喷管膨胀，最后高速从尾喷口喷出。涡扇发动机的推力一部分来自喷出燃气所产生的反作用力；另一部分是涡轮驱动风扇，风扇旋转驱动空气，经由发动机外涵道喷出的反作用力。转播到腾讯微博涡扇发动机与涡喷发动机涡扇发动机为何那么难？想象一下，苏27的AL-31涡扇发动机最大加力推力是12.5吨，2台AL-31可推动20多吨的苏27以超过2倍音速飞行。但AL-31的风扇直径不到900毫米，涡轮直径不到300毫米；基本物理学原理，力是相互作用的，也就是说这么小尺寸的风扇、涡轮反过来要时刻承受着12.5吨的力。形象一点说，大家应该都看过壮汉用喉咙顶着钢枪推动汽车的表演，涡扇发动机也大概如此，只是壮汉推汽车是慢慢挪动，而涡扇发动机要推动飞机以2倍音速飞行，各部件要承受住异常严酷的高温高压考验。另外，一台用于超音速战机的涡扇发动机直径一般仅1米左右、长度4米左右。以AL-31为例，这么小的一个圆筒状物体，要塞进4级风扇、9级压气机、2级涡轮、可收敛-扩张喷管、燃烧室、加力燃烧室，还要在之间安排冷却空气通道，周围安装燃油控制系统等的。所以，设计、制造一台高性能的涡扇发动机，可谓螺蛳壳里做道场，难度极大。在世界范围内，掌握一流水平涡扇发动机制造技术的仅有英国罗·罗、美国普惠和通用3家公司，俄法两国都属于二流，这是一个真正的垄断行业。专业一点地描述，涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗，首要的是提高增压比、提高热效率，涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标。例如，第三代苏27的AL-31发动机的涡轮前温度是1665K，而第四代F-22的F-119发动机将这个指标提高到了1977K；AL-31的涡轮前温度尚在普通钢材熔点之下，但F-119的已超出约200度。转播到腾讯微博F-119发动机让F-22能以1.7音速进行超音速巡航。要在这样高的温度下正常工作，F-119的涡轮采用了第三代单晶空心叶片。具体什么是单晶空心叶片，在此很难展开描述，只能说一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔（用于进气冷却），还要控制合金晶体生产连续一致，这需要极高超的精密铸造工艺。俄罗斯、中国至今尚未或是刚展开单晶空心涡轮叶片的工业化制造。而发动机要提高推力与自身重量之比，还要将压气机和涡轮造得更轻巧。压气机和涡轮的传统制造工艺是将叶片以榫头、榫槽锁紧的方式连接在叶盘上，但西方先进发动机已开始采用整体叶盘。即用电子束焊接等方法将单晶空心精铸叶片固定在叶盘上，重量可比传统工艺制造的降低30%。整体叶盘的制造工艺有10多种，但除了上述的美英3家航发巨头，其它国家也还未能应用于批量生产。涡扇发动机的风扇远离燃烧室，热负荷低，但它的气动效率也被继续精进。通用F-119和罗·罗瑞达900发动机的风扇都采用了宽弦叶片，其加工方法是将钛合金毛坯用切削方法加工成两半叶片，用真空扩散焊成一整体空心叶身，最后超塑成极为复杂的曲面。这又是一种全新的加工工艺。这么说，美军F-22A隐身战机所采用的F-119涡扇发动机为例，它的6级压气机、2级涡轮全部采用带空心单晶叶片的整体叶盘，3级风扇则全部采用宽弦叶片，所以它的推重比达到10，在迎风面积较小的情况下，最大加力推力超过15吨。所以，美军F-22A隐身战机能以1.7倍音速进行超音速巡航；而中俄的四代机歼20、T-50只能暂时采用第三代涡扇发动机，要等待第四代发动机研制成功，飞机才能真正完成研制。风扇、压气机、涡轮这些都是与动力输出直接相关的部件，制造难度大理所当然，但涡扇发动机的钛合金机匣也不是省油的灯。发动机筒内外壁上还有许多造型奇特的结构，制造这些奇奇怪怪的构件就需要相对应的焊接技术，可以对一些超薄组件、造型独特的构件进行焊接，英美航发三巨头都在焊接上下足了功夫。很多网友对钛合金加工的感觉还是非常高科技，但为了进一步减重，西方第四代发动机又开始使用了树脂基复合材料作为低温部件。比如F-119发动机的外涵道机匣、进气道机匣等，耐热温度一般在300至350摄氏度左右，性能更加先进的树脂基复合材料耐温的上限更高，可以突破400摄氏度大关。转播到腾讯微博压气机和涡轮的小小叶片还有引入冷却空气的内腔，令制造难度陡增。转播到腾讯微博英国罗·罗公司发展的宽弦叶片，凯特王妃也要摆出造型以示鼓励我国军事工业以苏联技术援助起家，擅长逆向仿制，在过去解决了多个领域的有无问题，甚至有轻武器专家以山寨之王自居。对于很多一般装备，逆向仿制即便不知其所以然，也至少做到知其然。但涡扇发动机这个工业王冠，应用有各种新理论、新材料、新工艺，要做到知其然都难，可以说是无法简单复制的。甚至，在没有操作手册的情况下，要将涡扇发动机正确拆开都困难。例如，我们非常熟悉的CFM-56，其使用在波音737、空客A320这些主流商业客机上，是世界上使用范围最广的涡轮风扇发动机之一，但是拆解CFM-56的难度仍然很大，几平方厘米的叶片上分布着许多小孔，这些孔隙的作用是散热的，小孔的位置设置极为讲究，是根据气路走向而定的……因此CFM-56的维护都是由专业公司来完成的。即便是能制造出各种类型的发动机构件，但是在装配上仍然需要技术、工艺支撑，同一生产线上制造出来的不同批次发动机都存在差别，推比相差甚至可以达到0.2。随着推比达15以上的发动机开始研制，各种新材料被大量应用，发动机结构也越来越复杂，对加工工艺要求也更高。你要仿制别人的新型发动机，所要花的时间可能比自己从零开始研发还要多，而且仿制产品的性能还很可能不及原型机。这方面我国是有惨痛教训的，例如太行涡扇发动机，其核心机就源于CFM-56，太行发动机在05年完成设计定型，但8年过去了仍然问题不断，只用在双发的歼11战斗机上。单发的歼10战斗机对发动机可靠性要求高，直到歼10B量产，歼10系列战机都只能采用俄制AL-31FN发动机。从科研体制来看，我国以前航空发动机的研发是跟随型号的，即要研制一款飞机，才会去研发一款配套的发动机；飞机如果下马了，发动机也就随之下马了。但美英等发达国家，发动机与飞机研发基本是分开的，发动机核心机的研发提前很多。例如，美国F-22战机所用的F-119发动机属于第四代发动机，但美国的核心机技术已发展到第六代，用于接替F-119的第五代发动机核心机也已制造出来。研制涡扇发动机是非常困难，也正因为困难，才没任何捷径可走，必须完全自主研发，而且要不惜巨资提前进行预研。近年，我国工业界也有所顿悟，开始投入重金独立研发，但之前的差距太大，要追赶世界先进水平可能还要数十年的艰苦努力。（文/陈喆杜松涛）美国GE公司研制的第五代发动机核心机，将用在下一代战斗机上。版权声明：本文系腾讯新闻客户端《讲武堂》栏目独家稿件，未经授权，不得转载，否则将追究法律责任。注:1开式温度:开尔文，为热力学温标或称绝对温标，是国际单位制中的温度单位。由爱尔兰第一代开尔文男爵（LordKelvin）威廉·汤姆森发明，其命名依发明者头衔为Kelvins，符号是K，但不加“°”来表示温度。1927年，第七届国际计量大会将热力学温标作为最基本的温标。开尔文温度计（缩写为“K”）是科学工作中使用很普遍的一种。开氏温度标度是用一种理想气体来确立的，它的零点被称为绝对零度。根据动力学理论，当温度在绝对零度时，气体分子的动能为零。为了方便起见。开氏温度计的刻度间隔与摄氏温度计上的刻度间隔相一致，也就是说，开氏温度计上的一度等于摄氏温度计上的一度，水的冰点摄氏温度计为0℃，开氏温度计为273.15K。度量衡：开氏度=摄氏度+273.15摄氏度=开氏度-273.152单晶叶片:英文名称：singlecrystalblade,经过了3代发展。第一代是：镍基高温合金第2代是：定向晶界的多晶[1]定义：只有一个晶粒的铸造叶片。定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。单晶叶片整个铸件由一个晶粒组成的铸造高温合金。这是继定向凝固铸造高温合金之后，进一步提高合金强度和使用温度的一条途径。单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠，都由毫无缺陷的多相单晶体组成。晶体取向应是〈100〉方向，并与叶片主应力轴方向之间的偏离不应大于10度。单晶铸件可以用与定向凝固相同的设备和工艺制备，与定向凝固铸件的区别只在于在水冷底盘的上部加入选晶器或仔晶，以便控制单一晶体进入铸件。简史初期的单晶铸造高温合金采用普通铸造高温合金成分，在此情况下，单晶铸造高温合金与定向凝固铸造高温合金相比，除了改善横向强度和塑性外，其他性能并无明显改善。20世纪70年代末，出现了去掉晶界强化(见高温合金晶界强化)元素的单晶铸造高温合金，如美国的PwAl480、NASAIRl00。碳、硼、锆、铪等晶界强化元素去除后，提高了合金的初熔温度，从而允许提高固溶处理温度，获得更细小、弥散的Y’相(见高温合金材料的金属间化合物相)，使合金的潜力得到更充分发挥。经过20多年的发展，出现了20多种单晶铸造高温合金。这些合金可以分为三代：第一代以PwAl480为代表，其承温能力比最好的定向凝固铸造高温合金PwAl422有25℃的优势；第二代以PwAl484为代表，比第一代又提高了25℃；正在研制的是第三代单晶合金。3桨距角（PitchAngle）也称节距角。风力机采用变桨距控制，通过调整叶片迎风角度，来进行功率调整的方式，桨距角β是指风机叶片与风轮平面夹角；桨距角即叶片弦线与旋转平面的夹角，如图中的β角；入流角是来流合速度（也就是风速和旋转相对速度的合速度）与旋转平面的夹角，如图中的φ角；攻角为来流合速度与叶片弦长的夹角，即图中的α角，且α=φ-β。桨距角，出自航空的螺旋桨，顾名思义，就是桨叶距离上的夹角，主要原因是为了找一个参考平面，而这个平面又很容易被区分，所以找到了桨叶最顶端的截面，风机上的桨距角指的是叶片顶端翼型弦线与旋转平面的夹角提高功率不是要提高桨距角，调节桨距角的目的主要是：1.启动，获得比较大的启动扭矩，来使叶轮克服驱动系统的空载阻力矩；2.限制功率输出，在额定风速后，使功率平稳，保护机械和电路系统，同时可以降低载荷；3.刹车，提供很大的气动阻力，使叶轮的转速快速降低，避免机械刹车造成的惯性力太大而造成的伤害。在风力机中，通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距/被动失速调节的许多缺点。变速恒频变桨距控制的理论依据：在风速低于额定风速时，桨叶节距角β=0°，通过变速恒频装置，风速变化时改变发电机转子转速，使风能利用系数恒定在Cpmax，捕获最大风能；在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而减少叶轮输入功率，使发电机输出功率稳定在额定功率。4树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维或者芳纶等纤维增强体。树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有广泛的应用。纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。目前常用的有：热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变