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【转载】航空发动机制造难点  

2015-12-05 17:07:01|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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航空发动机始终是国内的弱项,直到“昆仑”和“太行”出现,才有了自己的知识产权。本次谈谈航空发动机的研制难点。

航空发动机制造难点 - yofuze - 现在进行事 的博客

 “太行”航空发动机

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  AL-31F航空发动机
  记:从外表工艺看,感觉涡扇-10好于AL-31F。
  秦:AL-31F在生产工艺上有重大突破。比如转子叶片,尤其在燃烧区的叶片,既要受到高速旋转的动力,又要受到两千多度的高温冲击,所以必须是耐热的合金钢。而同样用这个材料,就有加工工艺问题。如果你加工不精确,叶片形面重复率就很差,即每组叶片不完全相同,就会导致发动机性能下降。再如发动机叶片叶根中有很多小孔,从涡轮轴里传出来的散热空气通过这些小孔流到叶片外面去,把叶片的热量带走。这种冷却方式要求加工相当精密。你要没有这些加工工艺就做不出来这些孔,那样就只能从别国买你这个叶片的制造专利。美国在这方面工艺非常好,像F-18的发动机F404,这个发动机燃烧区的叶片在旋转时与外环没有间隙。

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 F404航空发动机

  记:叶片是与外环直接摩擦?
  秦:是的。它的叶片尖部有一种软结构,像非常薄的纸片,就贴在外环上,旋转时就和外环摩擦,但摩擦力非常小,几乎和没有一样。这有什么好处呢?叶片旋转时空气被挤压后向叶片的背面返压,如果是F404发动机这种工艺,返过来的空气动力损失就小了。这个间隙越小,发动机的效率就越高。像米格-15的发动机BK-1A,它的这个间隙是1.3毫米,就使涡轮效率降低了3%,这就很可惜了。如果发动机有3吨的推力,90千克的推力就没有了。在战斗机上,减少每一分重量、增加每一分推力都是战斗力。F404的涡轮损失几乎就是零。
  俄罗斯发动机在工艺上要比美国通用、普惠及英国罗罗的差些,但也有它的优点,比如发动机总造价便宜。苏联发动机不是和美国争精密,而是争作战效果。
  记:不精密能出作战效果么?
  秦:他的目的就是在格斗的这五分钟,这五分钟我比你强,我就是胜仗。当然我这五分钟是用两千人一万小时保证的,你那个五分钟是用3个人一小时保证的,成本不同而已。当你没有科学管理手段时,追求的不是性价比,是胜仗。
  像图-154飞机在国际上声誉不好,但我们空军买的图-154就很好,就是因为维护精细,用维护抵消了飞机质量劣势。我一天把每各螺钉都查多少遍,一点毛病没有,飞机不就不出事了么。民航公司买的图—154就不行,因为它没法和空军比维护投入。当然如果算成本,空军的图-154卖票赚钱是不合算的。
  总之,你打你的高科技,我打我的高投入。西方发动机靠精密产生高推重比,俄罗斯发动机就靠热能发挥,靠冷却技术,把燃气温度调到最高而烧不坏发动机。发动机无非这么几条路,一是温度提高,提高推力,二是减小摩擦,减小损失。我们国家一直跟在人家后面走,设计能力比俄罗斯差不少。

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 图—154
  记:发动机设计方面为什么很难从俄罗斯学来?
  秦:常规的设计各国设计师都知道,这方面是隔行不隔理的,从论文中也能了解一些,但里面毕竟有相当多的技术细节。像国内某型涡喷发动机在初步设计时,军方要求它不要放气,但当时技术难以做到。米格-21的发动机在大速度俯冲时,进气道的效率很高,压缩比很大,比如在进气道时速度是1,到发动机进口时压力可能已经到3或4了。按说这是好事,但发动机承受不了,所以只能在进气道处做两个小窗口,把过大的进气压力放掉,能量就损失了。如果发动机能承受这个气流,提高的推重比用于作战该多好!没办法,如果那么硬的空气进去了,发动机就可能喘振,一喘振叶片就压断了。以当时的能力,不放不行。
  记:这是由于材料问题还是工艺问题?
  秦:这个不牵扯工艺问题,主要还是发动机装配问题。同样的材料,一个高明的装配师和一个学徒工装出来的,推重比可能就要高0.2。后来我们的专家在与别人切磋中逐渐把这事弄懂了,现在国内这型涡喷发动机就不用放气,喝这种硬气流也不噎了,即不喘振了。
  和俄罗斯发动机的差距,第一步在设计方面,经验差距,第二在加工制造,第三是试验。就是你这个叶片出来,我得上我这个试验台上把它的总寿命和单位时间寿命等都测试出来。我们有一段时间测试能力不如人家,这样你心里就没数。如果说每一个零部件我都掌握它的特性,那么把它每一部分加起来总特性我就很清楚,那我就知道它总寿命是多少,推重比是多少等等。但你测试能力不行怎办?只能装配成整的发动机,上试验台烧,这样一来研制周期和成本都要变大,只能把几台发动机都烧坏了才能定结论。如果我有测压气机的,有测涡轮轴的,有测燃烧室的,有测叶片的,有测喷口的,有测加力的,等等,这样设计师对每部分性能、寿命都有数了,对整机自然清楚了。否则我只能做好几台整发动机,烧碎一台,动力冲击一台,恶劣气象一台,潮湿腐蚀一台,一烧就上千小时,喝油上千吨,都加在成本里了。而前面那种分项目测试,就不需要整机运转。比如这个是温度问题,我就给你加温,而加温就不见得要烧油,可以是电加温,如果是疲劳问题,我就单独做这个部件的疲劳试验就行。所以发动机赶不上人家设计得那么强,这是个原因。

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 CFM-56发动机
  再就是加工能力,准确率、重复性和加工精度。像波音-737用的CFM-56发动机,原来是和F100发动机竞争F-16的,竞争未果就转为民用。如果看过CFM-56发动机的内部。你就知道这是钟表级精密的发动机。拇指大的叶片中密布许多个小散热孔。而在拆解实际的发动机之前,你的了解只能是在理论上,你不可能知道那些小孔是怎么摆的,怎么加工出来的,也不知道那个气路是怎么走的。
  记:发动机是否好拆解?
  秦:拆之前你必须想想有没有技术把它攒回来,想想怎么把它端起来,着力点在哪,哪个部件不能损坏了。它不是拧一个个螺丝,必须得有相应设备。总之,看了CFM-56发动机后发现里面很多技术都有启发意义。其燃烧区的涡轮叶片与外环也是没有缝隙的。
  记:从AL-31F和涡扇一10看,发动机前面冷区的压气机叶片与外环之间部有不到1毫米的间隙。
  秦:这对压气机影响不是很大,因为它有9-16级左右叶片,一层定子一层转子,定子负责给气流导向。叶片与外环无间隙是为了增压,而压气机部分增压比不是越大越好。每一层叶片的效率值如何取得最佳状态,如何用最小的重量和能源投入来取得最大的推力是设计师要考虑的。
  记:叶片转速能达1分钟20000转,离心力巨大,您当机械师时遇到过叶片断裂么?  

秦:冷段和热段的叶片碎裂我都遇到过。冷段叶片断裂危害也很大,能把整个发动机打碎。热段的叶片断裂能穿透发动机筒壁再从飞机的肚子里穿出去。涡轮叶片折断常有发生,如果机务人员能在地面发现,那就是立功了。断裂一般都有征兆,一开始也就十分之一大的小细缝,第一个能发现的人肯定立三等功。当时什么探伤手段都没有,就是靠眼睛看,这些裂纹手摸着什么感觉都没有。原来南苑机场空军有一个训练团,一架歼-5的涡喷-5的涡轮叶片在第二个起落时断了一截,这一截旋了一个螺旋状,从加力燃烧室与外筒壁的通道处向喷口外打出去了。这个断裂的叶片才几厘米,但对面的叶片与它重量就不平衡了。涡喷-5的转速是1分钟11 560转,转子马上就乱转了,把发动机外环刮得像车道一样。那些叶片都弯了。那架飞机还不错,安全落地了。它当时在大红门上空叶片断裂的,如果离机场再远10千米,它就不能活着回来了。那时候没有零一零座椅,必须在3 000米以上高度跳。当时的座椅下面是发射弹,不是现在的火箭,要手动抛盖。几百米高度根本无法生存。
  记:像这些裂纹是什么原因造成?
  秦:原因多种。一个可能是材质,再一个是加工预留的应力问题。材质方面,原来在加工时探伤手段没有,结果金属来的时候里面就有个砂眼,但工厂看不见。工厂检查是靠称重,和标准重量相等就认为合格。而它这个重量完全在误差范围内。在高温高压运行中,内伤渐渐扩大,变成裂纹。
  记:叶片都用什么材质?
  秦:是高材质合金钢,一般里面有镍、铬、钛、铁。
  记:转子和定子是否材质相同?
  秦:不,转子的最后一层质地是最好的。越靠近热区材质越好。前面冷区的叶片如果也采用同样材质,成本就太贵了,而且冷区叶片要求比重小,要轻一点,热区叶片要求比重大,要重得多。
  记:这十几级转子和定子是否每级材质都不一样?非标准化也会造成成本增加。
  秦:几乎每级都不同,不会造成成本增加,每一级材质不同,但形状是一样的。而且每级叶片长度不同。越往前,轴越细,叶片越长;越往后,轴越粗,叶片越短。每一级模具都不同。到了燃烧区这两级叶片也就有拇指这么长,这两级的材质价格不亚于黄金。其中,镍、铬、钛等稀有金属的比例相当大。这两层叶片你用焊枪烧到两千度,再用榔头砸它,也不变形。它的叶尖处的软材料,在外环上划,但不会划出痕迹。
  记:当时涡喷-5在这方面的工艺怎么样?
  秦:刚才说的这些发动机都是轴流式,即前方进气沿着轴线一直喷出去。涡喷-5发动机是离心式。它就一层涡轮,前方空气进来后被压气机旋转甩到筒壁周围进入燃烧室。我维护涡喷-5多年。它的加力是可以反复使用的,而当时美国F-86战斗机只能逃跑时开加力,因为它的发动机加力技术不成熟,只能用一次。
  记:后来的涡喷发动机为什么不再用离心式结构?
  秦:离心式结构就一级压缩,空气压缩比就小。而且空气甩出去再拐回来,它的发动机直径就得大,因为甩不出足够半径压力增加不了。发动机一粗飞机就粗,阻力就变大。歼-6的涡喷-6和歼-7的涡喷-7发动机都是轴流式,就又细又长。歼-6装两台单轴流的涡喷-6,其机身直径却和只装1台离心式发动机的歼-5相当。后来的涡扇发动机就是前几级叶片伸到发动机外面来了,然后在外面再罩上一个筒,形成外涵道,走冷空气。用于给内筒核心机散热。从第4级叶片开始才是在内筒里面的。正是因为外涵道的散热,核心机才能烧到两千多度而不会烧坏。如果没有外层降温,核心机烧到两千多度机壳强度将大幅下降。而一降温,核心机就可以烧得温度更高,达到同样的推力就可以少供油。它们的关系是:发动机在最大工作状态时(与开加力与否无关,加力是在尾喷口一段),燃烧室温度提高1%,发动机强度就下降14%。所以涡扇发动机外涵道降温意义很大。
  记:涡扇发动机漏油如何解决?
  秦:涡扇发动机燃油、滑油及液压系统都可能漏油,一般是加工和安装精度问题,而且不同批次之间可能问题程度不一样。改进也是从加工和安装精度上着手。发达国家也有这问题。如果飞机发动机完全不漏油了,各国机械师就都失业了。
  记:另外提一句,有时从展出的发动机看,其前下部的附件机匣不是每种发动机都有。
  秦:附件机匣的作用是将发动机的动力输出来,供给飞机内那些需要动力的设备。战斗机都是多余度的,其中要保留机械操纵余度以作应急,如收放加力喷口、收放起落架、收放减速板、收放襟翼等。它们是通过液压泵、助力泵、发电机、启动机等实现的,而这些设备的接口、挂点就在附件机匣上。附件机匣包括发动机附件机匣和飞机附件机匣,飞机附件机匣有一部分是在飞机里。展会上有的发动机没带附件机匣是因为附件机匣很贵,厂方觉得必要性不大就不带来参展。不同发动机的附件机匣设计完全不同,比如原来装AL-31F的战斗机如果改为装涡扇-10,那这型战斗机里面的空间布置就要做很多改变。
  记:发动机生产布局(如负责叶片、涡轮轴、总装等)分散是否合理?
  秦:任何一个发动机厂也不可能把所有部件做完,而且生产多种产品会有重点与非重点之分,难保所有的产品都质量过硬,因此分工越明确越专业越好,而且分散布局也会增大就业。尽管这会带来成本增加,但保证产品质量是最重要的。 航空发动机制造难点 - yofuze - 现在进行事 的博客

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