高性能航空发动机,工业制造皇冠上的明珠,浑身都是高科技的结晶
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高性能航空发动机,工业制造皇冠上的明珠,浑身都是高科技的结晶

2019年09月21日 08:06:57
来源:威呐解析

航空发动机被誉为“工业制造皇冠上的明珠”,地位不言而喻。航空发动机之所以能够在工业制造方面具有如此高的地位,核心就是其超高的设计和制造要求,高性能航空发动机是一个国家在工业制造方面最高水平的最重要的标志之一。目前,能够独立设计、制造高性能航空发动机的国家只有美、俄、英、法、中等少数几个国家,其中,美、英在民用大涵道比航发方面拥有绝对优势,美、俄在军用航发方面优势明显

F-135发动机,目前全球性能最好的军用航发

大涵道比民用航空发动机的结构

目前航空发动机的主流技术路线是涡轮风扇发动机,包括军用小涵道比涡扇发动机和民用大涵道比涡扇发动机。军用涡扇发动机中目前技术性能最高的当属美国F35战斗机上采用的有普.惠(普拉特.惠特尼)公司研发的F-135发动机,在去年进行的改进型号测试中达到了23.1吨的最大推力,比俄罗斯的AL-41系列发动机高出近30%,创造了军用涡扇发动机的新纪录!不仅推力猛,F135的使用寿命超过了10000小时,与飞机设计寿命接近,也是目前全球顶级水平。

F-135航发尾喷管的制造工艺精湛

民用大涵道比航发方面处于世界顶级水平的是美国的GE公司和英国的罗.罗公司,其中,GE公司的研发的GE9X航空发动机推力达到了60吨,与运20运输机的4台发动机的总推力接近,也是目前全球直径最大的航空发动机;此外,罗.罗公司正在研发的下一代UltraFan发动机在推力上也将于GE9X接近,并将采用碳纤维/钛合金异型结构风扇叶片,燃油经济性和降噪性能等都将进一步提升。

GE9X航空发动机,是目前全球最大的航空发动机

罗.罗公司下一代航发

上面说了军用和民用航发的最高水平,那么制约航空发动机的核心因素是什么呢?个人认为主要包括以下几个方面:第一是高性能材料,第二是先进的制造/装配工艺,第三是要有与之匹配的设计验证体系。

不同民用大涵道比航发进气口及叶片设计

航空发动机的工作环境非常苛刻,尤其是发动机燃烧室、喷管等部件,长期处于高温、高压、高转速状态,部分高性能航发涡轮室出口温度可以高达1500摄氏度左右,在如此苛刻的环境下需要零部件能够保证结构、强度性能不退化,材料难度极高。目前,在涡轮叶片、轮盘、喷管收敛片等部位,掌握相关制造材料的国家只有美、俄等极少数国家,我国在此方面也有一定的能力,但尚未达到先进水平。

航空发动机的涡轮盘,是最核心的部件之一

航空发动机高压级部分的叶片

有了性能足够的材料还需要有高水平的制造和装配工艺。对于航空发动机中的高速旋转部件来说,任何一点制造或者装配的偏差,在每分钟几千转甚至上万转的超高转速下都可能被放大,轻者降低发动机性能、震动噪音增大,重则可能发生零件脱落甚至发动机解体等严重后果。而在先进加工工艺方面,美、欧处于领先地位(日本也不错),俄、中则相对弱一些,这也是为何俄系航空发动机性能、尤其是寿命和燃油经济性要比同级别欧美发动机落后一截的原因之一。

航空发动机的每一个零部件都要求有极高的制造精度

航空发动机高压级叶片复杂的内部构造

航空发动机的设计和验证体系也是影响航发发展的重要因素之一。“工欲善其事 必先利其器”,想要设计、制造出高性能航发也需要有相应的设计工具、试验验证条件。目前,在航空领域应用最广泛的设计工具均来自于欧美,如法国达索公司、德国西门子公司、美国GE公司等,都有自己开放是数字化设计软件。其中,达索公司的CATIA软件占据了市场的8成左右的份额。而试验验证这块,需要有长期的积累才能形成完善的标准体系和试验设施,换句话说就是只有自己做过了才知道该怎么做,没有捷径可走。

采用专业设计软件开展航空发动机计算分析

民用航空发动机进行“喷水”试验

当然,上面也只是扼要的介绍了一下先进航发设计、制造相关的关键技术,其实这只是航发中所涉及的学科中的一小部分,哪怕一个小小的铆钉位置、深度等可能都需要经历几十上百次的修改论证才能确定。就算一个型号的设计、制造流程完整,但在投入实际运用之前还需要经历海量的试验,如喷水、喷冰、撞鸟以及叶片飞出等极端条件的考验。一款成功应用的先进航发,都是经历“千锤百炼”磨砺出来的,“皇冠上的明珠”光芒耀眼的地位可没那么轻易得到!

试验台架上的GE9X发动机,目前全球最强航发!

下一代军用航发:自适应变循环发动机结构示意图

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