中国航空发动机发展之路

中国航空发动机发展之路核心提示：一个国家，没有独立自主研制发展的航空发动机事业，就没有独立自主发展的航空工业；没有先进的航空发动机事业，就没有先进的航空工业。中国在航空动力方面艰难跋涉，终于研制出具有标志意义的“昆仑”和“太行”发动机。一个国家，没有独立自主研制发展的航空发动机事业，就没有独立自主发展的航空工业；没有先进的航空发动机事业，就没有先进的航空工业。改革开放三十年,我国航空工业以“太行”发动机研制成功为标志，实现了我国军用航空发动机从第二代向第三代，从涡喷向涡扇、从中等推力向大推力的跨越。这“三大跨越”标志着我国已具备自主研制大推力军用发动机的能力，配装我军主战机种的发动机开始摆脱受制于人的被动局面。这是历史性的突破，大大增强了我国的军事实力。航空工业是知识密集和技术密集的高科技产业。航空发动机更是典型的技术密集和高附加值的高科技产品。它要在高温、高压、高转速和高负荷等苛刻条件下长期反复工作，要求重量轻、体积小，使用安全可靠、经济性好，因而必须设计精巧、加工精密、使用高性能材料合成附件。研制航空发动机技术难度大、投资多、周期长、风险大。世界能搞飞机制造业的国家不少，而能独立研制发展航空发动机的只有美、英、俄、法这样少数几个国家。艰难跋涉话“昆仑”军用航空发动机核心技术，发达国家对外实行严密的封锁。走独立自主研制航空发动机的道路，是我国的必然选择。20世纪60年代初，为打破国际上对我国的技术封锁，独立自主地发展我国航空动力尖端技术，在沈阳成立了中国一航沈阳发动机设计研究所，大批创业者怀着航空报国的执着理想，汇聚到沈阳开始了艰苦卓绝的大会战。“昆仑”发动机从1984年6月开始，经历了由验证机到原型机的研制阶段。军方要求，飞机原则上不做改动，要求“昆仑”与现役同类发动机比，做到外廓尺寸不变、空气流量不变、安装形式不变；要严格按照国军标编制的型号规范进行研制，这意味着要一步跨上与国际先进标准接轨的台阶，要求“昆仑”推力要大，耗油率要低，可靠性、维护性要好。到1991年初，一航动力所设计的“昆仑”发动机，按照空军提出的要求，采用了许多新技术。先后进行了两次重大修改设计，攻下了压气机转子叶片和涡轮叶片断裂等关键技术。“昆仑”研制中遇到的最大难题是：由于压气机喘振裕度不够，造成高压压气机和低压压气机工作不匹配。在这之前，攻关组历经3年多时间，通过修改设计，提高了低压压气机的喘振裕度。1991年4月，我军新机选用“昆仑”发动机做动力装置，列入国家重点型号加速研制。1993年12月12日，“昆仑”首飞成功，这是中国航空工业史上值得纪念的日子。首飞半年后，攻关组经过多次修改设计和试验，最后高压压气机采用高扩稳增益的机匣处理技术，以新的结构取代了“放气”装置，终于攻克了困扰“昆仑”多年的高、低压气机不匹配这一重大技术关键。“首飞不易，定型更难”。“昆仑”是第一个按国军标研制的发动机，攻关组为了一丝不苟地贯彻国军标和型号规范，决心要编出符合要求的材料手册来。他们与一航材料院等20多个单位协作，在收集了16000多炉次十几万个数据和17种新材料补充试验的基础上，花了8年时间，编辑出版了我国第一部《航空发动机设计用材料数据手册》，不仅解决了“昆仑”研制中的燃眉之急，而且为今后航空发动机的设计奠定了坚实的基础。国产最新型涡喷-14“昆仑”发动机在珠海航展上亮相的国产太行发动机攻关组经过数年奋战，数万小时的零部件试验，数千小时的整机试车，先后排除了发动机振动过大、涡轮导向叶片烧蚀、火焰筒裂纹等上百个技术故障。顺利通过了国内新研制发动机第一次进行的转子超转与破裂、低循环疲劳等部件试验和整机试车考核，以及所有成附件的环境试验。“昆仑”在1997年四季度高空大马赫数试飞中，发动机先后出现3次喘振停车。在试飞现场，攻关组首先对“昆仑”进行喷水逼喘试验，进一步考核喘振裕度。从工作原理到设备选型、选材、给水加温、防冻、过滤、测试、支撑结构等每一个细节都严格把关。经过20多天紧张的喷水逼喘试车，弄清了故障原因，终于使高空大马赫数停车这一通常至少需要1年才能解决的重大技术关键，只用了4个月就彻底攻克。攻关组借鉴国际上先进的气膜冷却技术，大胆采用了复合气冷空心涡轮叶片。这种叶片被誉为现代航空发动机技术“王冠上的明珠”。它不仅包括先进的设计技术、高温材料技术，还包括定向凝固技术、无余量精铸技术、五坐标数控打孔技术、磨粒流光整技术、无损检测技术、冷却试验技术、高温涂层技术。一航动力所为攻下复合气冷空心涡轮叶片这项尖端技术，组成了“国家队”，集中国内最优秀的设计、材料、工艺、加工、检测等方面的专家进行研制。经过8年的研究、改进、试验、再改进、再试验，终于掌握了这项尖端技术。1997年12月20日，我国第一台具有自主知识产权、自行设计的“昆仑”高性能双转子加力涡轮喷气发动机终于试制成功。蓝天丰碑说“太行”日前，我国自行研制的大推力涡轮风扇发动机“太行”通过设计定型审查，引起了业内外强烈的反响，也引起了国际上的关注。2005年，一航动力所实现了“太行”发动机的设计定型，这不仅实现了技术水平的一个极大跃升，而且实现了产品性能的一个极大跃升。第三代涡扇发动机不但在总压比上较第二代涡喷发动机有很大提高，而且在材料的使用温度上较第二代发动机也有大幅提高，同时对零件的加工精度要求上也全面提高了。这样，一航所有参研单位，在“太行”发动机研制过程中就要突破很多“新材料”、“新工艺”的难度，进行大量的技术攻关，同时在加工设备上要进行技术改造。由于涡扇发动机有一股外涵气流，因此，涡扇发动机在发动机整机参数匹配上与涡喷发动机有较大的差异，另外，由于进入加力燃烧室的气流温度较涡喷发动机低，因此组织燃烧也困难。第三代涡扇发动机的部件水平又较第二代涡喷发动机上了一个大台阶，不但设计难度大，而且在试验设备上也需要相应的技术改造。“太行”发动机的研制经过了18年的艰苦历程。通过研制这个型号航空工业收获颇丰：拿出了一个产品。成功研制了“太行”发动机，解决了国内飞机动力长期受制于人的问题。很多年来，中国的飞机普遍患有“心脏病”，也就是作为飞机“心脏”的发动机技术不过硬。“太行”发动机是大推力涡轮风扇发动机，属于“三代机”水平。“太行”发动机研制的成功，可为我国数型飞机提供动力，在一定程度上缓解了发动机对飞机发展的制约。“太行”发动机同时也为我们搭建了一个平台，在这个平台上，我们可以更好更快地进行“太行”系列发动机的研究开发，还可以更为便捷地开展新型发动机预研，大大缩短研制周期。走出了一条路子。通过18年的艰辛研究，走出了“以我为主，自力更生，创新超越”的路子。从技术上，包括部件的设计、系统的设计、主机和加力的匹配、系统和发动机的匹配、发动机和飞机的匹配，从工艺、材料到加工，都进行了自行研制，大大提高了水平。带出了一支队伍。这支队伍的成员包括各个层次的技术领导、发动机设计人员、型号研制管理人员等，都通过这个型号的研制成熟起来。其中特别值得一提的是技术队伍。“太行”发动机刚开始研制的时候，技术人员大多数是60年代毕业的大学生。通过“太行”的研制，年轻一代成长起来了。从一航动力所来看，从设计人员到总设计师，现在已经全都是80年代毕业的大学生。创出一种新型模式。“太行”研制打破了“一厂一机”的模式，搞专业化生产大协作。从“太行”发动机研制开始，参研单位多达40余家厂所，参研单位争相采取新方法、新工艺，以创新的思维攻克制造中的道道难关。对一航动力所设计的加工难度非常大的叶片，他们欣然接受，组织攻关，生产出了合格产品，提升了工艺水平。形成一种精神。“太行”通过18年的研究形成了“矢志不渝，创新超越”的精神。所有参研人员都饱含着对祖国航空事业的热爱，始终怀着高度的敬业精神、奉献精神、创新精神和严谨的科学态度，埋头工作，刻苦钻研，全身心地投入到型号研制中去。“太行”发动机在研制过程中曾遇到过各种技术问题和故障200多项，如风扇第一级工作叶片断裂，采取改变“凸肩”设计，改进榫头设计和采取阻尼等多项措施予以解决。轴承故障，通过改善润滑解决故障。涡轮后支点滑油回油温度高的问题，主要在“空气系统”上采取措施使故障得以解决。2006年珠海航展上亮相的太行发动机宣传图在“太行”发动机研制过程中，在设计上，注重维修性品质，采用单元体结构设计技术，幷设置齐全的状态监控手段，提供方便的保障设施。在几大关键部件的重大设计中，进行集成创新，选用了数十项有预研基础的新技术、新材料和新工艺，将预先研究成果与型号研制相结合，攻克了多个技术关键，在不断增长工程经验的同时，掌握了发动机国际先进的设计技术。“太行”发动机在自行设计过程中采用的新技术，有三级风扇为带进气可变弯度导向叶片的跨音速气动设计；两级低压涡轮为复合倾斜弯扭的三维气动设计；低压涡轮两级导向叶片均为空心、三联整体无余量精铸结构，与高压涡轮对转，其效率达到当今国际的先进水平；“太行”发动机复合材料外涵机匣是复合材料技术在国内航空发动机上的第一次应用。复合材料外涵机匣重量减轻30%；加力燃烧室为“平行进气”式，工作范围宽，重量轻，流体损失小，采用分区分压供油方案，保证了在发动机工作包线内的可靠点火和稳定；尾喷口为全程无级可调收敛扩散喷口设计，填补了国内的空白。“太行”发动机的研制成功，为我国今后航空军用发动机的发展指明了方向：一是要加大基础研究工作的力度。我国发动机设计队伍在基础研究和基础理论方面力量比较薄弱。因此，势必要求我们提前着眼新设计、新材料、新工艺，进行大量结构、部件、工艺等的研究和试验。二是要实现新机研制过程中硬件生产的快速反应。一种新型发动机研制要分几个批次，我国现在走一个批次，大概需要3到4年时间。在一些发达国家，发动机生产时间只有6至9个月。如果我们硬件生产周期可以缩短，“太行”发动机的研制成功会大大提前。三是要坚持不懈地加强发动机研制人才队伍建设。从一航动力所的情况来看，技术人员绝对数量少，在全所员工中所占的比例也少，还不能满足发动机研制新形势的要求，应该进一步壮大这支队伍。后记太行在较早前已经装在歼11飞机上测试，但至今未能正式服役。需要说明的是近段时间以来，太行发动机在部队的测试中又陆续出现了一些问题，但是一航相关领导敢于承认问题，并积极查找问题所在。航空发动机是一个复杂的系统，它的发展成熟同样也是较为复杂的过程，并非一朝一夕就能够得以顺利完成。相信以这样踏实认真的态度，刻苦钻研的精神，一定会让中国的航空发动机工业一步步走向成熟，也让中国不再只是一个航空大国，而成为一个航空强国。