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航空发动机究竟有多难造?中国终于获技术突破全球仅5国能搞

归档日期:07-25       文本归类:导弹最大射程      文章编辑:爱尚语录

  刚刚过去的2017年里,大飞机C919的成功首飞无疑是一件让中国人心潮澎湃的事情,不过,激动之余,很多人不禁会问,中国自主研发的大飞机什么时候才能用上自主研发的“中国心”呢?

  好消息是,半个月前,中国大型客机发动机验证机CJ-1000AX核心机完成100%转速测试,首台整机在上海装配完成,如果进展顺利的话,接下来就是各种测试和试飞工作了。

  航空发动机,也就是现代喷气式发动机,主要包括涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机等,其主要的结构部件有进气道、压气机、燃烧室、涡轮以及尾喷管等。

  而这其中最重要的结构是压气机、燃烧室和涡轮,这三个结构部件组成了发动机的核心机。喷气式发动机主要的功率输出流程都是在核心机中实现。

  这其中包括了最初的论证到方案,再到进行技术验证的工程研制阶段,之后才能设计定型,最终生产定型、投入批量生产。

  CJ-1000AX就是一台处于技术验证阶段的发动机,它直径1.95米,长3.29米,包含风扇/增压级、核心机、低压涡轮和附件传动机匣装置,由近35000个零组件组成。

  飞机的发动机除了为飞机提供动力外,还负责为机上用电设备提供电力、空调系统提供气源等,那么,它的工作过程是怎样的呢?我们大体上可以分成以下几个方面:

  离心式压气机多在用老式喷气式发动机和小型喷气式发动机上,相对于轴流式压气机,离心式压气机的增压比低,但是结构简单,造价低廉。

  轴流式压气机,顾名思义,就是空气沿着压气机主轴方向流动,随着压气机级数的增加,空气所流经的通道是逐步收窄的,从而实现空气体积的减小和压力的提升。

  为什么现代航空发动机要使用压缩机对空气进行压缩呢?这是因为在相同的体积小,压缩比越高,进入燃烧室的空气就越多,燃油燃烧的速率越快,发动机的动力性就越好,功率就越大。

  通常,业内把高压压气机出口的空气压力与低压压气机进口的空气压力之比称为发动机的增压比(EPR)。增压比是衡量发动机性能的一个重要参数,它对发动机的输出功率和热效率有重要的影响。

  航空发动机工作时,首先空气经过进气道进入发动机,经过低压压气机(LPC)的首轮增压之后被输送到高压压气机(HPC),再次进行增压。

  这个燃油雾化装置会通过负反馈闭环自动控制,根据进入到燃烧室内压缩空气的量来调节所需雾化燃油的量,防止出现贫油燃烧(油少气多)和富油燃烧(油多气少),从而保证发动机高效率地工作。

  这与汽车的油气混合点燃本质上是相同的:通过精确的油气混合比例使混合油气更加充分的燃烧。只不过,相同的时间内,航空发动机雾化的燃油量更大,雾化的程度更彻底。

  管形燃烧室是指围绕主轴环形排列的圆筒状燃烧室结构,这种构型的燃烧室结构分散,燃烧效率不高。

  后来又发展出一种环形燃烧室,这种燃烧室的构型紧凑,但是整个流体环境不如管形燃烧室,所以最终发展出了兼顾二者优点的管环形燃烧室。

  从燃烧室排出的高温高压燃气,首先流经高压涡轮(HPT),在高温高压燃气的带动下,高压涡轮迅速旋转并且带动高压转子(N2)。高压转子会带动高压机压气机叶片,使其持续压缩空气,保证整个做功循环的持续进行。

  此时,高温高压的燃气会继续流向低压涡轮(LPT),使其旋转做功,并带动低压转子(N1)转动,而低压转子会带动低压级压气机持续进行空气压缩,完成一个完整的做功循环。

  流出低压压气机的废气会经过尾喷口排到大气中去,军用发动机通常会在此段加装加力燃烧室,让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油再次混合燃烧,从而在短时间内提高发动机的推力。

  流经外涵道的气流和从尾喷口排出高温高压的燃气会给发动机一个向前的推力,这个推力通过发动机与机翼上的吊点,最终传递到机身结构上,推动飞机向前移动。

  流经尾喷口的燃气出口温度(EGT)是衡量发动机运行状态是否正常的一个很重要的参数。通常发动机燃气出口温度超温,即表明发动机内部出现故障。

  上面我们说了这么多,为什么中国要造民用航空发动机这么困难呢?这就不得不提到现代喷气式发动机的两个研制难点,第一是控制,第二是材料。

  喷气式发动机的控制主要分为两个方面,第一是压力的控制,第二是温度的控制。

  例如,如何提高高压压气机出口的压力,从而提高压气机的增压比?如何提高从尾盘口排出燃气的温度和压力,从而使发动机具有更强劲的推力?如何降低低压涡轮的排气温度,从而提高发动机的整体效率?如何防止发动机的喘振?

  这些都需要科研人员无数次的改进气动热力方案和无数次的试验去探索。如果这些问题解决不了,就会影响发动机工作状况,造成结构损坏和空中停车等严重状况。

  涡轮始终工作在极端的高温高压条件下,严苛的环境对其材料制造工艺有着非常苛刻的要求。

  目前国际上主流的涡轮叶片主要采用粉末冶金工艺制造的空心叶片,叶片内部的空心结构有着特殊的走向和构型。而且为了避免分体铸造造成的应力集中和结构缺陷,叶片和叶盘要求一次性铸造成型,具有很高的工艺难度。

  例如减轻重量、增加强度而设计的叶盆/叶背钛蒙皮和钛合金蜂窝夹芯的叶片结构。

  除此之外,用扩散连接/超塑成形的宽弦风扇叶片也是一种难度很高的成型工艺。

  这种叶片利用两层钛合金之间夹装一层波浪形的加强结构,在减轻重量的同时也能提高整个风扇叶片的强度。

  作为工业皇冠上的明珠,航空发动机的设计制造一直是一项精度要求高、结构设计复杂的系统工程。CJ-1000AX核心机完成100%转速测试,首台整机的装配完成,只是中国航空发动机研制的万里长征中迈出的第一步。

  如果进展顺利,CJ1000-A发动机将于2022年装备C919大型客机。

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