我國的航空發動機比美歐的壽命短是什麼原因?

眾泰皮尺測繪部經理

材料的問題,以及加工的問題,也因為我國不願意在航空發動機上大量的堆錸。

圖中左邊就是渦輪盤,也叫作透平,他是發動機性能的根本所在,除了渦輪盤以外的地方都基本是低溫零件,加工製造相對簡單,對壽命影響不大。


世界上航空發動機壽命最長的幾個型號,無不是依靠堆錸堆出來的,因為錸含量越大的發動機渦輪葉片,耐高溫能力越強,在提高發動機推力的主要手段--提高渦輪前溫度的時候,需要讓發動機的渦輪葉片承受足夠高的高溫,才能提高推力,然而承受高溫的次數是有限的,時間是有限的,這就是發動機壽命的主要原因。日本當時為了提高XF5-1發動機的渦輪前溫度,使用了大量的錸來製造葉片,好像當時說是葉片錸含量達到了5%,而全球每年的錸產量甚至只有幾噸,所以實驗室裡可以做出來高錸含量的發動機葉片,但是實際應用上很難。

一臺航空發動機的渦輪前溫度決定了這款發動機的推力,而為了推力犧牲了渦輪葉片的壽命,則是影響軍用發動機壽命的一大因素。


另外,也有堆錸少就能提高發動機壽命的辦法,但是仍然需要使用其他的材料,這些材料比如單晶葉片、單晶渦輪盤等,這些我國也有,但是其材料的耐性不如美國、歐洲的同類型產品。如果可以研發出新的單晶或者雙晶材料,就能極大的改善這一現象。

圖為我國的WS10A航空發動機,這款發動機的渦輪前溫度為1747K,在世界上算是比較高的,主要目的是增推,但是也犧牲了壽命。


最後則是因為加工精細度的問題。我國的發動機結構和機械設計都非常先進,而且採用了全新的全權數字化操作系統,實現了電傳控制,而不是機械控制,發動機的響應速度和性能狀態的控制都非常理想,但是往往因為很多意想不到的位置出現問題影響發動機的壽命,我國發動機一個很大的問題就在於故障發生的地方往往沒有一致性和關聯性,這一點就是因為加工不精細造成的。不過這一問題目前也已經取得了改善,所以如果非要選擇一個影響發動機壽命最大的問題,我想應該還是錸用的少了,應該再多用一些。


海事先鋒

“秦嶺”發動機的仿製和研製之路,一方面讓中國航空發動機見識了西方先進的技術和理念,同時也展示出我們與世界水平的巨大差距

首先,工業基礎薄弱是主因。我國航空發動機壽命和可靠性的短板,是由中國航空工業薄弱的工業基礎所決定的,舉個例子,我們上世紀70年代從英國引進斯貝發動機,但由於航空發動機工業基礎非常薄弱,實際上最初是直接全部引進各種材料、毛坯、成品和附件,在英國技術人員的指導下花了幾年時間才完成這項工作,當時光航空工業部下屬就有74家工廠參與引進承製1096項原材料、大型鍛鑄件和成品、附件,“斯貝”發動機實際上比起AL-31F落後一代,技術上並不算非常先進,但當時其材料、工藝、製造技術對我們而言,顯得極為先進,體現出我們與英國這樣的航空發動機強國在發動機最基礎的技術上存在極大的差距。實際上後來我們花了20多年時間,才真正實現了斯貝的全面國產化——渦扇9發動機。工業基礎薄弱,導致材料、工藝、製造都薄弱,這樣一來發動機壽命就短,上不去。

其次,一直走仿製路線,缺乏自主研發能力,知其然不知其所以然。我們的航空發動機工業是從仿製學習蘇聯型號起家的,與蘇聯一樣,我們也得上了“仿製病”,仿製的優勢在於可以簡化研製流程,提高效率,見效快,但仿製有個大問題,就是不走一趟從開始研發的全流程,因此對別人如何設計發動機,為什麼要這樣設計發動機知其然不知其所以然,始終掌握不了發動機研製的根本原理和規律。別人自己研發的發動機,知根知底,改起來得心應手;咱們仿製的型號,改動任何一個基礎設計都得“慎之又慎”。而大家都知道,發動機壽命是“改出來的”,蘇聯/俄羅斯和美國發動機,剛出來的時候壽命都不是很高,但是在使用中不斷改進,不斷採用新材料新工藝新技術,壽命就不斷延長。舉個例子,蘇聯早期國產發動機VK-1開始時壽命僅為100小時,但經過技術改進,幾年後壽命就延長到了200小時,增加了一倍。俄羅斯最近這些年,對AL-31F系列發動機不斷進行改進,其壽命從800小時到1500小時,現在又延長到了2000小時,俄羅斯計劃在蘇-57的新型發動機產品30上,將壽命提升到4000~6000小時。

除此之外,沒有走過一次自主研發的全流程,那麼發動機的基礎氣動理論、基礎結構設計等最基本的工作,都做不好,搞國產發動機就成為空談。所以“太行”發動機重要就重要在這裡,雖然它在核心機上一定程度借鑑了外國先進型號的技術和設計,但確實是中國首次從基礎設計出發,從頭到尾走完了大推力渦扇發動機的研製流程,從中獲得的設計、製造、試驗技術和經驗,其價值難以估量。

第三,發動機配套戰鬥機的思路有問題。這個毛病其實我們的老師傅蘇聯也犯過,由於我們的航空工業體制師法蘇聯,因此我們的問題跟蘇聯也很相近。在很長一段時期,我們對於發動機的認識,它只不過是戰鬥機的一個零部件、子系統,航空發動機研製長期從屬於戰鬥機研製,沒有獨立的地位,重要性沒有得到充分的認同和尊重,其科研規律沒有得到深入的認識。因此戰鬥機項目下馬,發動機也隨之下馬;發動機研製不順利,最終導致戰鬥機項目歇菜,這種事情在中國航空工業歷史上曾多次發生。應對的辦法很簡單,就是要把發動機獨立出來,按照發動機的研製規律和週期去辦事,徹底改變發動機配套飛機的老模式,因為航空發動機研製難度本來就比戰鬥機大得多,研製週期也更長。現在我們做的就比較好,將航空發動機這一項目直接獨立出來,成立中國航空發動機集團公司,同時高度重視基礎研究,比如將原先隸屬中國航空工業集團公司的航空材料研究院整體移交給新成立的中航發集團,這就體現出了對材料這一發動機基礎項目的高度重視。

好在我們現在已經意識到了這一問題,國產發動機的壽命也是在穩步提高中,相信中國航空發動機的明天一定會更好。


兵工科技

迷彩虎軍事為您回答。舉個例子來說吧,從1987年立項算起,我們的太行發動機也才有31年的歷史,何況整個八九十年代期間,國家對於軍隊的投入還是那麼有限,沒有足夠時間和足夠金錢的投入,今天國產發動機的相對不給力也是難以避免的。再說從2005年12月設計定型到目前現在這十多年時間,雖然太行已經在殲10、殲11系列上裝備了一些,實際大規模裝載飛機的數量還很有限,地面試驗再好,真正的上機測試不夠,自然也不利於發動機的成熟。發動機通過設計定型意味著其達到了指標考核要求,但是很多小問題、小毛病還是得等到大批量服役並且經過高強度使用後才能發現。這當中又得用很多的錢和時間解決。

再看看美國空軍呢,話說那還是50年前的1968年,當時美國的海、空軍為了他們的下一代戰機計劃,已經聯合提出了第三代發動機發展計劃,要求競標商在18個月內造出一臺驗證機,一年多時間美國人就想搞出發動機。怕不是瘋了啊,其實人家能定這個目標心中自然是有數的。畢竟當普惠公司在接下F100驗證機的活兒的時候,他們手頭上已經擁有了相當成熟的JTF22核心機,而這個JTF22已經造了十年之久了。1974年F100發動機終於交付部隊了,如果從JTF22開始算,整個項目已經過去了16年。朋友,您可別以為F100發動機的故事就這麼結束了。其實美國人關於F100的噩夢才剛開始。

當1968年普惠公司剛剛拿下這個活兒的時候,他們為了能儘快交貨,刻意的縮短了整個研發週期,最關鍵的是把最不該減少的試驗時間給砍了不少,這樣問題就出現,時間不夠、火候自然不行,出事也是遲早的。在隨後的使用過程中從鈦合金葉片著火、到渦輪葉片斷裂、再到發動機加力燃燒室震盪,1974年到1977年三年不到的時間這臺發到發動機就出現了223次嚴重事故,開始那幾年F100真就沒消停過。再說從1974年到如今,F16已經墜毀了600多架,據傳其中1/4的事故都和發動機故障有關。等到時間基本耗夠了,錢也砸的多了1987年美國的F100總算沒啥大毛病了,而這一年我們的“太行”項目也才剛剛立項,F100這十多年的開發總共花費摺合大約要有300多個億的人民幣,而當年中國全年軍費加起來也才210億人民幣,就是說一個F100項目就花掉了中國一年軍費的1.5倍多。

出問題了再試,不行了再飛,時間不夠再耗、錢不夠再投。今天美國人的發動機技術全球無人能及,不是美國的技術人員有多聰明、更不是美國的體制有多麼優越。完全是美國人在金錢和時間上的不吝嗇,才讓美國的航空發動機一步一步爬上了世界第一的寶座。我們要想讓自己的戰鷹擁有可靠的發動機、經費投入不夠不可能,時間不夠也沒希望、不上機測試更不行。

31年的時間,能讓我們的渦扇10系列剛剛超過俄國人AL31的水平已經是太不容易了。而美國人呢?如今已經玩起了可以讓發動機燃油效率提高25%、飛機的作戰航程增加30%的三涵道發動機技術。和美國人比發動機,我們真得還得有太多的路要趕、還缺少太多的金錢要投入。


迷彩虎軍事

目前影響我國航空發動機壽命的最大短板就是--軸承!

其他領域差距都沒有那麼誇張,材料領域左盟主早就拿著三代單晶葉片炫耀,製造工藝上3D打印都開始運用,跟西方國家壽命差距不大。但是軸承這塊是硬傷,差距太大。

航空發動機主軸滾動軸承是發動機的關鍵組件,其需要在高溫高壓苛刻條件下,承受各種應力和壓力下,進行每秒鐘3000轉的高速工作模式,主軸承壽命直接影響航空發動機的整體壽命。而這也正是我們的軸承工作壽命(抗疲勞性)還遠不如西方國家,導致航空發動機壽命遠不如對方,同時這也是俄羅斯的航空發動機壽命普遍不如歐美的主要原因,因為毛子的軸承技術也不如對手。

美國最大的成功之處就是其在50年代末,預測了發動機主軸軸承的DN值將達到3.0×10^6,工作溫度在316度以上,由NASA牽頭進行預研計劃(那時候的NASA是準備進行阿波羅登月的NASA,擁有20多萬科研人員,全球第一黑科技機構),一直到70年代完成,從而整體上提升了美國的航空發動機製造水平。而70年代也是美國航空發動機水平,瞬間拉開蘇聯10年差距的時期。

而目前,我國的航空發動機軸承領域距離歐美有將近30年的差距。這也導致我國高端製造業領域,也非常依賴進口軸承。比如說高鐵,高鐵是我國的一張名片,但是之前軸承幾乎是100%進口,主要是從瑞典和日本進口。這些年經過不懈努力,開始陸續使用國產軸承,但是250公里以上的車組,重要部位軸承還是依賴進口。

軸承可以說是製造業領域重要的標準件,軸承水平就可以決定製造業水平,這一塊領域沒有捷徑,只有自己不斷刻苦攻堅。小小的軸承研發涉及材料、油脂及潤滑、製造、設計、軸承製造裝備、檢測與試驗等一系列技術難題,還涉及接觸力學、潤滑理論、摩擦學、疲勞與破壞、熱處理與材料組織等基礎研究和交叉學科,絕不是個輕易可以忽視的地方。


五嶽掩赤城

這個世界上能夠生產頂級航空發動機的只有英國的羅羅,美國的普惠以及通用三家公司。航空發動機從設計到研發製造,基本上就是幾十年不斷燒錢、不斷失敗、不斷克服困難、不斷技術積累、不斷技術創新的過程,脫離這個過程一切研發製造都是耍流氓。也就是說現在哪怕給你一個美國F-22的F119-PW-100型發動機圖紙,你也造不出這個發動機,哪怕是手把手的教你如何去造這些零部件,你生產出來的零部件也可能是不合格的。所以國產飛機發動機基本上就不能山寨、模仿,沒有幾十年的功夫,是不可能吃透一款發動機技術的。

我國從上個世紀70年代引進“貝斯”發動機開始,才算開始真正起步。除了幾萬、幾十萬小時的技術積累,其他毫無捷徑可走,這就是研製航空發動機的困難之處。一直以來我國都是在仿製俄製發動機,由於當初毛熊根本不把戰機發動機的使用壽命當回事,反正戰時戰鬥機就100小時的壽命,基本上不需要再去考慮發動機什麼了,所以俄製發動機一開始就100小時壽命,而後慢慢增加到200、800、1500小時,而走了彎路的毛熊顯然也把這個毛病帶給了我們。

由於我們是仿製毛熊的技術,研發製造能力上比毛熊還差,所以發動機壽命也不長。隨著這幾年咱們技術的不斷髮展,總算是快追上毛熊了。但是一樣需要大量進口毛熊的戰鬥機發動機,比如毛熊的AL-31F發動機,大量使用在我國殲-10和殲-11系列上。趕英超美目前於我國航空發動機來說尚不現實,腳踏實地、不要盲目跟風才是關鍵。


霹靂火軍事

俗話說不到上海不知道自己多窮,不到北京不知道自己官小。而我國的航空發動機也是如此尷尬,跟歐美航空發動機製造技術相比,確實顯得太過於寒酸了一點。
但是對於我們曾經工業基礎幾乎為零的國家來說,能模仿


出世界上最先進的航空發動機已經實屬不易,終於讓中國也步入了全世界為數不多的能製造航空發動機的國家行列。當然這與航天人員的辛苦努力是密不可分的,他們的功勞首當其衝、功不可沒。
我國對航空發動機製造,是建立在模仿前蘇聯老大哥的基礎上來的,後來蘇聯國家解體,我們就一直模仿著俄羅斯的航空發動機,自行研製和開發航空發動機技術。我們從最開始幾乎連航空發動機工作原理都不懂,只知其然不知其所以然,到如今的''太行''發動機超越俄羅斯同類航空發動機的使用壽命。一路走來的艱辛大家可想而知!

我們的航空發動機之所以使用壽命不長,這也與我們仿效的俄羅斯
航空發動機製造技術有關,俄羅斯航空發動機的使用壽命普遍是歐美航空發動機使用壽命的一半還不到,畢竟我們師承俄羅斯的製造技術,想彎道超車歐美的航空發動機製造技術,那還需要一個挑戰航天人創新能力的漫長過程。
據說這個主軸軸承,就是限制我國航空發動機使用壽命的最大短板,相信在我們的鍛壓技術越來越領先全世界的前景下,在不久的將來,我們就會造出更好的特質材料來對它升級。希望我們的航天工業能早日迎來彎道超車歐美的那一天,我們的航天精英們,辛苦你們啦!


象棋荊門陳威

我國的航空發動機使用壽命問題一直是被其他國家詬病的老大難問題。

為什麼壽命短?因為製造工藝,咱們不提那些具體的工藝和數據,用最簡單的話來解釋一下。航空發動機中最重要、製造難度最大、數量最多的就是葉片,也是決定發動機使用壽命的關鍵部件。發動機運行時,葉片所處的環境極端惡劣,不僅要承受每分鐘上千轉的速度,還要耐上千度的高溫。



葉片的材質和製造工藝一直是西方國家封鎖我國的重點之一。而我國在葉片的製造工藝上還處於剛剛入門,一個合格的葉片要用到多種合金,每種是什麼比例,先加哪種,怎樣製造……?等等這些不可能通過計算得到答案,而是要經過無數次的試驗,反覆的調試和長年累月的飛行試驗得到的數據來支撐。而這也正是我國缺少的,相比於美俄在航發領域近百年的技術積累我國航發才剛剛從仿製俄製發動機中走出來,缺少太多的原始數據和積累。


目前美國F22戰機身上的F119發動機運行時長已經超過1萬小時,俄羅斯普遍能夠達到3000小時,最新的項目30發動機預計可以達到6000小時。而我國才剛剛夠到3000小時的邊緣。毫不誇張的說,在使用壽命問題上,至少還需要10年,甚至是更多時間的積累才能夠達到美俄的水平。


大寶視頻

中國有心病,就是發動機技術有待提高。發動機壽命短,直接的使用100個小時,幾經曲折目前發展到2000個小時。但是美國最先進的F22發動機F100使用壽命也達到上萬小時,目前俄羅斯開發4000~6000小時的發動機;歐盟空客發動機也達到2000小時。為什麼我們發動機會出現短命呢?

舉個例子,蘇聯早期國產發動機VK-1開始時壽命僅為100小時,但經過技術改進,幾年後壽命就延長到了200小時,增加了一倍。俄羅斯最近這些年,對AL-31F系列發動機不斷進行改進,其壽命從800小時到1500小時,現在又延長到了2000小時,俄羅斯計劃在蘇-57的新型發動機產品30上,將壽命提升到4000~6000小時。

第一,從設計到製造工藝,在到材料研究都遠遠落後於同一時代。同時加上我們發動機製造工業基礎特別薄弱。

從仿製到山寨,從山寨到開發,我們的科研經費也大大限制了我們實驗次數,從而延緩了發動機的研發。缺乏厚實的專業技能人才,導致了我們就是按照西方圖紙也沒有工藝和技術把部件生產出來。


例如:

我們上世紀70年代從英國引進斯貝發動機,但由於航空發動機工業基礎非常薄弱,實際上最初是直接全部引進各種材料、毛坯、成品和附件,在英國技術人員的指導下花了幾年時間才完成這項工作,當時光航空工業部下屬就有74家工廠參與引進承製1096項原材料、大型鍛鑄件和成品、附件,“斯貝”發動機實際上比起AL-31F落後一代,技術上並不算非常先進,但當時其材料、工藝、製造技術對我們而言,顯得極為先進,體現出我們與英國這樣的航空發動機強國在發動機最基礎的技術上存在極大的差距。實際上後來我們花了20多年時間,才真正實現了斯貝的全面國產化——渦扇9發動機。

第二,主要部件如葉片與軸承的研製,成為我們最為頭疼的問題。我們有洛陽軸承集團,也有其他的葉片公司,但是生產耐高溫有絕熱材料的軸承和耐低溫不結冰材料的葉片就成為我們材料工業的瓶頸。


“秦嶺”的仿製暴露出我們的短板,“太行”發動機的研製31年也凸顯了研製發動機的艱辛。

第四,我們的科研架構不符合發動機研究規律,導致了核心部件的急功近利。

第五,儘管有系統性的投入和長遠的規劃,但是歐盟有意識的封鎖使得我們任務更艱鉅。


錦繡中華一捧土

有工藝問題也有材料原因,但是最大的問題還是設計導致的。航空發動機是在複雜條件下的熱動裝換,起飛性能優秀推力大的發動機到了高空就成了老態龍鍾的喘氣疙瘩,追求高空高速性能的在地面上就是起飛不了,推力不夠。拼命吹油,發動機內部應力過大,溫度急劇升高,材料受不了。過去做不了渦輪氣膜,是加工工藝問題,現在沒這個問題了,過去,材料耐熱溫度比別人的低100多度,現在我們的材料耐熱溫度別人的要高几十度,也沒有這個問題了,性能怎麼還不能比肩他們的?甚至人家都主動要求採購我們的渦輪了,我們的發動機性能還是三流?少有肯說實話的專家開口承認,我國航發設計問題了……而我說,豈止是設計問題,連教科書都是有問題的,整個設計思路從根子底部都是要問題的。連設計數模都搞不出來,所有數據要靠一臺接著一臺實驗樣機去試,幾十萬小時,幾十萬小時的耗,是大規模下決心要摸出象模樣啊,


愛因斯坦也是民科

不單是航發,所有機械製品都受兩個主要因素的制約:材料,設備。這兩個因素又相互制約(沒有好的設備,加工不了好的材料;而沒有好的材料,又生產不出來好的設備)。

很多噴子頂著個豬🐷腦子天天噴國家這個不行,那個不行,什麼多少億都哪兒去了~殊不知工業發展是一個循序漸進的過程,不是你某一個時間多努力就能一下趕上的。我們的落後是事實,追趕是需要時間的,不可能一蹴而就。就好比你的孩子以前是班級最後一名,現在努力考到了班級第十名,你卻始終要求他一下考個第一,你覺得合理麼?

(送給網絡噴子)

舒緩下情緒我們回到你的提問。接著第一段的話,從兩個方面解釋:材料,和設備。

不知道大家有沒有注意到一個問題,我們國家的航天發動機還是不錯的,但航空發動機卻不行,主要原因就是壽命的問題。發動機工作時內部溫度很高,歇火後又回到常溫,而黑色金屬都有隨溫度發生同素異形轉變的特性,也就是隨溫度變化內部組織發生轉變,力學性能發生變化。所以,需要使用高溫強度高(紅硬性),變形小,疲勞強度高等等具有優異性能的材料。而這些特殊材料是從外面買不到的(技術封鎖),一時半會自己又沒有研究出來,所以只能用目前為止還不錯的。顯然,差距就出來了。

再說設備。發動機是一個精密器械,對各尺寸配合要求很高,過大的間隙會加速磨損,增大局部載荷,惡化工況。並且間隙都有放大和擴散的趨勢,一個地方出問題,會導致整個設備壽命下降。你們自己的家用車異響通常就是間隙引起的。那麼,要想獲得精準尺寸的零件,就需要比它精度更高的設備才能加工出來,而我們現在就是沒有那樣的設備(同樣的,高精度設備也買不到)。

這裡再重複一下開頭那句相互制約。強度高的材料往往工藝性(加工難易程度)都比較差,對機床(刀具)的要求更高,否則加工出來的尺寸誤差會放大。而零件的誤差會累計到設備上,所以導致設備的精度下降。恰恰機床內部就有許多這樣的零件……這特麼就是一個死循環。

基於以上兩點,要想造出媲美歐美的發動機確實還比較難。這不單是這些個科研機構的問題,是我們的整體工業水平還達不到。



就比如咋們的殲20,氣動佈局優異,但要說真正和F22硬剛,難~


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