文档介绍：航空发动机为何那么难? ?发表于: 2014-02-17 10:08:12 ?作者:一个臭老九发短信加关注更多作品级别:六级士官积分: 2158 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 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 3 00 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 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 1665 K ,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 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 倍音速进行超音速巡航;而中俄的四代机歼 20、 T-5 0 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,