航空制造业井喷发展 发动机仍属朝阳期(四)

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2017-06-05
【摘要】:发动机最关键的是压气机、燃烧室和涡轮。特别是涡轮,在工作过程中,现代喷气发动机的涡轮叶片通常要承受 1600~1800℃的高温,同时还要承受 300m/s 左右的风速,以及由此带来的巨大的空气压力,在这种极为恶劣的工作环境下可靠工作成千上万个小时

 2)航空发动机材料之难

发动机最关键的是压气机、燃烧室和涡轮。特别是涡轮,在工作过程中,现代喷气发动机的涡轮叶片通常要承受 1600~1800℃的高温,同时还要承受 300m/s 左右的风速,以及由此带来的巨大的空气压力,在这种极为恶劣的工作环境下可靠工作成千上万个小时。如此恶劣的工作环境远远超出一般金属材料的能力,为此需要其他特殊的材料。这就是定向凝固高温合金、单晶、金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷基复合材料,如碳化硅纤维增强的陶瓷基复合材料,使用温度可达 1500℃,远远超过超合金涡轮叶片的使用温度(1100℃)。

目前中国在航空发动机的材料应用方面与国外的差距非常大,以至于中国民用的发动机全部依赖进口。军用发动机的材料应用也不甚理想,发动机的平均无故障时间,平均大修时间、平均寿命等关键指标与国外仍有较大差距。

航空发动机主轴承是航空发动机的关键部件之一,在高速、高温、受力复杂的条件下运转,其质量和性能直接影响到发动机性能、寿命和可靠性。目前国外发达国家航空发动机主轴承的寿命均能达到 1 万小时以上,完全可以满足大飞机发动机主轴承的寿命需求。而我国目前航空发动机的主轴承寿命基本在 900h 以内,主轴承寿命不如西方 1/10。但近年来我国在航空发动机方面取得了可喜的进展。下图为20129月上海大学自主研发的通过验收的30厘米长的涡轮单晶叶片,是晶体生长工艺上一次突破,也是我国自主培养的最长一块单晶叶片,但与国外最先进技术相比,还有510厘米的差距。

 

       我国自主研制的单晶体叶片.jpg

       2 我国自主研制的单晶体叶片

 

3)航空发动机制造之难

要让航空发动机在极端苛刻的工作状态下保持足够的强度正常运转,发动机的制造除了需要新型耐高温材料外,还需要采用众多复杂先进的的制造工艺。

航空发动机的制造涉及材料、结构、焊接等众多难度极高的工业技术。如喷气式发动机上大量使用高强度材料和耐高温合金,零部件精度要求达到μm级,叶片型面复杂,燃烧系统和加力系统薄壁焊接零件多,大量使用定向凝固、粉末冶金、复杂空心叶片精铸、复杂陶瓷型芯制造、钛合金锻造、微孔加工、涂层与特种焊接等先进制造技术。如航空发动机整体叶盘,每个原始毛坯成本约二三十万,加工到成品要经过几十道工序、数百次换刀、上千次进退刀。A4 纸大小的整体叶盘叶片最厚2mm,最薄处只有 0.2 0.3mm,绝不允许有任何瑕疵。再如涡轮叶片需要精细设计制造出多通道空心涡轮叶片,利用气膜冷却降低叶片表面温度,以便发动机上叶片在极端苛刻的工作环境下满足发动机工作的需要。

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