TA的每日心情 | 难过
2015-7-11 15:23 |
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签到天数: 567 天 连续签到: 1 天 [LV.9]以坛为家II
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航空喷气发动机到底有多难
精心雕琢的工业王冠
喷气式航空发动机的性能优势是建立在精巧的连续回旋转子结构上的，其研制难点也基本围绕这一核心展开。现代飞机不断提高的战术技术指标对航空发动机提出了极为苛刻的要求。高温、高压、高转速外加高可靠性、耐久性和维护性是其基本特点。在这些本就相互矛盾的要求推动下，航空发动机注定要成为人类历史上最复杂、最精密、最矛盾的工业复合体。
压气机的作用是利用来自涡轮的能量对发动机进气进行压缩和增温。一方面提高了进气分子活跃程度，更有利于提高燃烧效率。另外一方面，增加了单位体积内的氧气含量，因为大气尤其是高空大气的单位体积含氧量太低,远小于燃烧室中的燃油充分燃烧所需的耗氧量。压气机的主要设计难点在于要保证效率、增压比和喘振裕度这三大主要性能参数满足发动机的设计要求。一个世纪以来，伴随着气动热力学、计算流体力学的发展，压气机的设计水平在逐年提高。20世纪初采用螺旋桨理论设计压气机叶片，20年代开始采用孤立叶形理论，30年代中期开始采用叶栅设计理论，50年代开始用二维设计技术，70年代开始建立准三维设计体系，90年代以来，航空界开始使用三维粘性流场分析设计体系对压气机进行设计。压气机设计理论、计算模型和设计系统在基础理论科研推动下不断进步跨越。即便是有先进的计算机辅助设计手段，如果基础科研理论没有进步，也无法在高性能压气机领域取得突破。由于压气机的逆压梯度相当大、需要对空气流场、温度场和压力场进行详尽的三维分析以及空气粘性计算极端复杂等原因，多级压气机级间匹配、不同工作状态下的性能优化非常困难。我国在航空发动机压气机设计和制造方面与世界航空强国的差距较小，这主要是源于我国在基础理论研究方面持续进行科研工作。1952年，吴仲华教授提出了Sl-S2流面理论，并在这一理论的基础上建立了压气机准三维设计系统，直到现在虽然三维设计技术已经相对成熟，但是我国提出的准三维设计技术依然是国内外压气机设计理论体系的核心。不过我国由于长期进行发动机仿制而不是设计工作，在压气机工程实用的设计规范和试验数据方面与国外先进发动机公司相比还存在相当大的差距。
压气机后面紧跟的是燃烧室。经过压气机压缩后的高压空气与燃料混合之后将在燃烧室中燃烧，产生高温高压燃气来推动燃气涡轮运转并从尾喷口高速喷出从而产生推力。航空发动机对燃烧室的要求是：第一，燃烧室单位容积的发热量或者说是热容强度要很高。通俗的说，就是要燃烧室在尽可能小的容积里完成高压空气与燃料的混合与充分燃烧。现代航空发动机的燃烧室长度一般只有十几厘米，而燃烧室进口与出口的温度差则高达数百甚至上千度。这么高的温升对于燃烧室结构设计、冷却设计和材料耐热能力都提出了极端要求。目前，航空发动综合应用浮动壁火焰筒、多孔冷却火焰筒、多孔层板火焰筒等技术提高燃烧室温升，从而根本上提升发动机性能。第二，要保证足够高的燃烧效率。这需要燃烧室采用三维数值计算和模拟技术、高紊流度强旋流结构、双旋流的空气雾化喷嘴、带旋流的预混喷嘴、强旋流混合头部等技术来增强燃料与空气的掺混，提高燃烧效率。第三，保证经过燃烧室后的气体达到所需的温度并要求出口温度场相当均匀。燃烧室的后面是涡轮，如果气流温度不均匀，有的地方特别热，有的地方特别冷（相对的冷，温度仍在千度左右），涡轮就会受不了。同一个涡轮叶片，转到热的地方就膨胀，转到冷的地方就收缩，一来二去，叶片很快就会发生金属疲劳，降低了使用寿命。燃烧室的设计难点在于，油气二相混合物的流动特性既不同于液态，又不同于气态，这种流场很难建立精确的数学模型。所以，燃烧室的设计过程很大程度上是通过实验来进行的，需要完善的试验设备和较长的试验800K-850K,但是此时美国采用温升上千度瓦片浮壁燃烧室的F119-PW-100第四代航空发动机已经开始服役。美国已实施的发动机热端部件技术计划(HOST)和目前正在进行的高性能涡轮发动机技术综合计划(IHPTET),针对燃烧室进行了大量的预先研究并已取得显著技术进步。
能在高温、高压和高速条件下稳定工作就是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。对于气流而言，温度、速度和压力是密切相关的三个参量，于是，三高要求最终就体现在尽可能提高涡轮进口温度上面。而且，涡轮进口温度，也就是平时说的涡前温或者燃烧室出口温度，是航空发动机最关键的循环参数，是影响航空发动机效率、推力和总体性能的最关键参数。为了保证涡轮材料不被高温燃气所融化，涡轮通常都要采取复杂的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题，这项技术至今被人称作是“工业王冠上的宝石”。另外现在航空发动机领域大行其道的单晶涡轮叶片逐渐普及使用。单晶叶片就是只有一个晶粒的铸造叶片，整个叶片在内部晶体结构上没有应力集中和容易断裂的薄弱点。现在航空强国在开发更高冷却水平的单晶叶片，如对开叶片、扩散连接的叶片及多孔层板叶片，预计冷却效果可达400度~500度。高性能水平的叶片已是集先进的材料、先进的成型工艺和先进的冷却技术以及先进的涂层于一体。
我国航空发动机研制的困难和性能差距主要就体现在涡轮叶片以及涡轮盘材料和工艺两个方面。在20世纪七八十年代，国外在材料和工艺方面进展突飞猛进，我国却因为历史原因错过了机遇时期。在国外第三代航空发动机早已采用并成熟实践的材料中，单晶涡轮叶片和粉末冶金涡轮盘我国至今尚未在第三代航空发动机“太行”上应用。而单晶涡轮叶片和粉末冶金盘的特性是航空发动机性能和先进性最关键的保证。研制先进材料需要较长的时间并具有较大的风险，我国以往在航空发动机研制上采取以型号带动工业的方针，试图通过上型号的方式来提升整个航空工业水平。于是，与型号相关的材料和工艺研究在型号立项之时才开始搞。通过较短的时间无法完成先进材料和工艺的科研任务时，就必须修改发动机设计指标、导致航空发动机研制周期大大延长甚至致使型号研制失败。而国外广泛开展各项预研工程积累科研和工业实力，在需要进行型号研制时，立刻就能拿出现成的材料和加工工艺。近年来，我国也开始反思教训，学习国外先进经验开始进行预研工程，预计在“十一五”和“十二五”期间，这些基础研究项目将大量的开花结果。
航空发动机作为需要漫长研制时间来精心雕琢的“工业王冠”，其本身的技术难度虽然达到了人类工业领域的顶峰，但是，我国航空发动机发展史证明，突破技术并不是最大的“拦路虎”，重要的是对航空发动机研制需要长时间、大投入和基础科研的特点有清晰的认识。从正确的认识出发，制定基础科研和工程发展长远规划，并且按照规划矢志不移地进行持续科学的科研管理是航空发动机成功研制发展的唯一发展策略。
它山之石：航空发动机研制经验谈
以发动机技术为核心的气动热力学、材料学、结构力学和结构设计技术以及工艺技术构成的核心技术体系已经成为航空强国战略发展的重要支柱，也是我国目前少数几个没有取得完全突破的技术体系之一，堪称发达国家最后的“工业堡垒”。与我国发展航空动力“以型号牵引技术甚至是整个航空动力工业水平”的老方针不同的是，欧美等航空强国极其注重基础研究和预研，其强大的法宝可以总结成三个关键词：预研工程、核心机计划、发动机系列化。
事实上，这三个关键的概念和理念是不可分割的一个整体，其构成了发达国家在航空动力发展上的整个思路体系的主干。航空发动机的研究和发展分为：基础研究、探索发展（应用研究）、预先发展和工程发展。中国往往是有了具体工程发展型号的时候，才去搞基础研究、探索发展（应用研究）、预先发展，打算通过一个型号带动整个航空动力产业的进步。而这条道路是不适合航空动力型号研制的客观规律的。航空发动机尤其是军用大推涡扇机是一个国家工业和科研体系最高的技术成就，发展科学不能有太强的功利色彩，等到需要的时候再去从头研制总是远水解不了近渴。
核心机从物理概念讲，是在燃气涡轮发动机中由高压压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮组成的核心部分，它不断输出具有一定可用能量的燃气，因此又称为燃气发生器。从技术途径讲，是利用在探索发展（应用研究）得到验证的先进部件组成核心机。其主要特点是叶片比较短小，工作环境温度高、压力高、转速高、承受的应力大，在使用中这部分的故障率多。因而采用的工艺复杂，材料昂贵，其研制成本和研制周期在发动机研制中所占比重大，成为航空发动机研制中主要难点和关键技术最集中的部分，也是航空发动机先进性和复杂性的集中体现。发动机系列化的最主要途径是保持一台成熟的核心机基本几何参数不变的条件下，通过改变风扇或低压压气机直径和级数以及涡轮的冷却技术或材料来改变发动机的主要循环参数，如压比、涵道比、空气流量、涡轮进口温度等，从而获得不同性能和用途的发动机。在同一核心机上配上不同的“风扇、低压涡轮、加力燃烧室等低压部件及相关系统”，就可以以较低的风险研制出覆盖一定推力（功率）范围的一系列发动机。满足不同用途飞机对动力的需要，从而实现核心机的多用途目标。
视燃气向涡轮转化能量的比例不同，核心机可以衍生出不同的发动机类型。如果燃气转化到涡轮的能量主要用于驱动压气机以持续完成热力学循环，而仍然含有相当热能和动能的燃气从喷口喷出，也就是利用燃气的反冲作用作为发动机主要动力来源，这就是喷气式航空发动机。如果燃气能量主要用于推动涡轮以及涡轮带动的螺旋桨转动，燃气本身动力作用较小或者基本可以忽略，这就是涡轮桨（轴）发动机。如果在涡轮后再加上一个不联动压气机的自由动力涡轮专门用于尽可能的将燃气热能和势能都转化为转子动能从而作为动力，这就是舰用或者工业用燃气轮机。以燃气发生器为核心机衍生出的各类发动机的核心优点是功率密度极大。在燃烧方面，燃气发生器通过压气机将空气多级压缩，现代航空发动机的压气机可以将进气压力提高至标准大气压的九倍以上，而往复活塞发动机采用活塞压缩和单级涡轮增压辅助方式对空气进行预压，增压幅度非常有限。蒸汽轮机则基本上就是常压状态组织燃料燃烧。增压充分、温度较高的空气不仅仅单位体积氧气含量更高，而且分子活跃度很高，在这种情况下燃烧效率会非常高。而且现代航空发动机采用气动掺混、旋流掺混等手段对进气和燃料进行充分的混合，更提高了燃烧效率。燃气发生器将燃气热能和动能转化为转子动能是通过燃气直接冲击涡轮叶片实现的，涡轮持续性被冲击转动，从而实现连续的能量转化。而往复活塞式发动机则需要活塞经过静止-加速-减速-静止-反向加速的过程，这就导致活塞带动的主轴速度提不上去，功率密度受到很大限制。蒸汽轮机虽然也采用了涡轮作为能量转化方式，但是由于燃烧、锅炉和复杂的管路设计重量巨大、体积庞大，功率密度相当低。
利用多用途核心机发展系列发动机的道路一直受到了航空发达国家的高度重视，并成为发动机系列发展的主要技术途径。美国正是把上述三个科研和研发理念贯彻到了发动机发展的始终，才锻造出世界上最顶尖最先进的军用和民用动力型号。美国从20世纪60年代开始，由军方和政府相继实施了十几个航空动力研究计划，促进了推重比为l0一级发动机和先进民用动力的研制和发展。从1988年开始，由美国军方、政府和工业界联合组织实施了“高性能涡轮发动机综合技术”(IHPTET)计划。在该计划取得巨大成功的基础上。美国又从2006年开始实施IHPTET计划的后续计划“经济可承受的通用先进涡轮发动机”(VAATE)计划。这两个计划的共同特点是不针对具体发动机型号，而是注重于关键技术的研究和试验验证，为型号发展提供技术基础和直接的技术支持。迄今为止，美国已经研制出7代核心机，而目前最先进的第四代航空发动机仅仅是美国第四代核心机衍生的成果，这反映了在航空发动机领域美国极强的科研实力和潜力。
正视较大技术差距，我国也意识到以往在发展航空动力型号上的认识误区与偏差，开始了自己核心机预研计划。国内根据国外的核心机及验证机发展途径，结合我国航空发动机研究和发展的经验，在《航空发动机研究和发展暂行规定》中已明确：“预先发展阶段的主要工作是在模拟环境条件下进行全尺寸的先进部件、燃气发生器（核心机）和验证机的试验研究，验证部件性能和部件间的匹配，以及结构的可靠性和耐久性”。国内从1980年开始的第3代发动机技术预先研究。进入20世纪90年代后，我国的航空动力工业进入了黄金发展时期。国家开始大力投入基础设施建设并支持各类型号的立项和预研工作。
工业“王权”：航空发动机的战略价值
江泽民同志曾经指出:在国防科技领域,我们要重点研究开发一些关键技术。掌握这些技术,是实现我国新时期军事战略的需要,也是整个现代化建设事业发展的需要。而航空发动机研制就是少数几个能够关乎国民经济发展和国家安全的关键技术。只有认识到航空发动机研制的极端难度和战略作用，采用符合客观实际的科研途径，才能使我国航空发动机研制突破瓶颈，前途光明。
国家战略发展要找到合适的契合点和支柱产业，这需要对于国家自身发展模式以及世界发展客观规律有着深刻的洞察力和系统的认识。世界上公认的大国强国没有一个不是航空强国。航空之所以不约而同的成为大国强国的战略发展重点，是与现代社会前进发展的三个支柱——能源、信息和运输分不开的。能源是世界的动力，信息是社会的神经，而运输就是国家的血脉。航空是人类迄今为止速度最快的运输方式，飞机利用其自身突出的机动性从很大程度上让“地球缩小”了。因而，发展航空工业、建设民航体系是一个现代化大国前进无法回避的一步。
目前，波音和空客基本垄断了全球民航飞机研制，通用电气、普惠和罗罗公司基本垄断了大型民航飞机发动机研制。我国民航尚未装备一型以国产发动机为动力的干线或者支线客机。建立在国外动力系统上的航空工业和民航不仅在技术层面没有选择权，甚至会影响国民经济独立自主的前进发展。在军用领域，航空兵最大的优势依然是机动性，以飞机为机动平台，装备有各类先进传感器、精确打击武器和通信指挥设备的现代航空兵体系是目前常规战争最有效率也是最可怕的作战力量。“拥有天空就拥有胜利”已经成为现代战争的真理。飞机作为航空兵唯一作战平台，其机动性决定于航空发动机的好坏。没有性能优良的航空发动机，没有自主研制的航空发动机，在现代战争中就无法有效争夺制空权，无法对敌方进行持续快速的精确打击，祖国的领空和国土就可能遭受到敌方航空兵的凌虐。目前，现代海军作战舰艇的动力系统也普遍采用由航空发动机上衍生而来的舰用燃气轮机，不突破航空发动机研制技术体系，国家的领海也会处于危险的境地。
人类进入工业社会以来研制了不少尖端科技成果，运载火箭、人造卫星、复杂光学仪器等都是人类智慧的高度结晶。但是其中只有航空发动机与计算机芯片不仅研制难度极大，而且需要相当数量的广泛装备。因而航空发动机研制不仅考验一个国家尖端科技研究能力，更需要这个国家有着厚实而完善的工业基础体系。中国能够在工业基础极度薄弱、经济条件十分困难的情况下，通过集中全国资源和科研力量完成“两弹一星”以及运载火箭、弹道导弹等尖端科研项目的研究工作，但是建国60年来才刚刚在独立研制航空发动机方面取得初步进展。飞机不是像运载火箭那样每年生产几枚即可，航空发动机也不像是火箭发动机只使用一次即可，而是需要在极端恶劣环境下持久反复的工作。如果把一个只有尖端科研但是没有广泛工业基础的国家比作“书呆子”，那么只有第三产业繁荣发展而没有完善雄厚工业实力的国家就是“没有骨头的软胖子”。只有用工业强力持续推动下的经济才能挺过各种危机，只有用自主国防工业武装起来的军队才敢于面对任何来犯之敌，只有基础科学长足进步、工业体系强大完善的国家才能够在人类社会前进的道路上不畏惧任何艰难险阻。重视突破航空发动机核心技术体系是赢得“工业王权”的必经之路。
目前，我国已经将航空技术作为推动国家发展的重大战略领域列入国务院中长期科技发展规划。在航空工业发展领域，我国将以大型运输机、大型客机为中心，突破一系列航空关键技术，其中就包括高性能核心机，大涵道比涡轮风扇发动机技术。现在中国在西方社会经济发展模式出现危机，自身国力日益强盛的情况下迎来了新时代发展的机遇期，抓住以航空技术为关键发展道路的核心，必将成为中国未来发展科学的战略决断。 |
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发表于 2012-9-9 14:38:05
你这水灌得，这也太难读了
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