航空发动机动力传输系统的技术进展

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     编号：001         

名称：航空发动机动力传输系统的技术进展         

制作者：杨子剑       

内容：航空发动机动力传输系统的技术进展

飞机的发明与应用是20世纪人类取得的最伟大的科技成就之一, 极大地推动了人类社会文明进步, 并对人类社会的日常生活和思维方式产生了巨大影响。作为飞机心脏的航空动力系统同样走过了辉煌历程。以燃气涡轮发动机技术为标志, 于20世纪后半叶从活塞时代迈入超声速飞行的喷气时代。目前, 燃气涡轮发动机占据航空动力的主导地位, 是知识密集、军民两用的高科技产品, 是国家科技工业水平和综合国力的重要标志, 成为各大国大力发展、高度垄断、严密封锁的关键技术。经过半个多世纪的发展, 航空涡轮发动机技术取得巨大进步, 推动了飞行器和航空工业的蓬勃发展。

21世纪, 世界航空动力技术将继续加速发展, 有可能出现革命性变化。据预测, 21世纪前半叶, 将出现装备推重比达20的发动机的第5代战斗机, 可在21 km高空以马赫数Ma=3~4.5作巡航飞行;装备超燃冲压发动机或新型脉冲爆震发动机的巡航导弹可以实现Ma=5~10的高超声速飞行;远距增升、推力转向、引射器和串列风扇等各种动力装置的研究应用, 有可能使Ma=2.0~2.5的超声速短距起飞/垂直降落战斗机从遭到破坏的跑道或舰船上起降;以微机电技术为基础的超微型发动机、燃气涡轮/超燃冲压/火箭组合发动机、新能源发动机等新型动力的突破, 有可能研制出只有在神话中才能出现的如同鸟儿和蚊蝇般大小的微型飞行器;并可能研制出Ma=5~10的高超声速飞行器及空天飞机, 使纽约到北京的旅行时间缩短到2~3 h, 继活塞时代、喷气时代之后, 将人类带入快速、便捷的高超声速时代, 实现大气层—外层空间自由往返航行, 开辟人类航空史上的新纪元。

21世纪的军、民用航空动力系统的主要发展方向是:超高速 (Ma = 5~10) 、超高空 (高度30~50 km或更高) 、无限航时、无限航程;推重比20~25或更高, 耗油率下降10 %~20 %;特种用途;天地往返, 等等。

在21世纪前半叶, 有旋转部件的燃气涡轮发动机仍将占据航空动力的主要地位, 并根据军用与民用的不同需求, 分别以高推重比与低耗油率为主要发展目标, 在降低研制、生产和使用维护费用的同时, 减少对环境的污染, 成为满足环保要求的“绿色发动机”。

航空发动机被称为“工业之花”，是典型的技术密集、知识密集型高科技产品。

航空发动机产业是以航空燃气涡轮发动机技术为基础发展的产业集群，主要产品包括军民用航空发动机、辅助动力装置和航改燃气轮机，还可以得到重型燃机及利用航空发动机部件级技术衍生发展的其它产品。航空发动机制造业涉及流体力学、固体力学、计算数学、热物理、化学等众多门类的基础科学和工程技术，是典型的高科技产业，具有突出的技术辐射和拉动作用，可以广泛带动电子、先进材料、特种和精密加工、冶金、化工等技术和产业的发展，是国民经济运行中科技发展和创新的重要推动力量。

从第一台喷气式发动机诞生至今，航空发动机已走过了近70年的发展道路，航空发动机技术已经取得了巨大进步，但真正形成航空发动机产业并具有相当规模的国家只有美、俄、英、法等少数几个国家，这些国家能够独立研究和发展一流水平的军用航空发动机，而民用发动机市场上真正具有技术和商业优势的只有美、英两国的三家公司（美国的通用电气航空集团和普·惠公司以及英国的罗·罗公司），这三家企业及其成立的合资公司（CFM和IAE公司）在世界民用发动机市场的份额几乎达到了90%。2010年，世界航空发动机产量超过16300台（含舰船及地面用燃机），市场价值达550亿美元。

20世纪80年代初期，中国航空研究院因70年代上马的歼9､歼13等项目的纷纷下马，与之配套的研发长达20年的涡扇6系列发动机也因无装配对象被迫下马，于是中国在战斗机动力方面与世界发达国家的差距拉到20年以上。面对中国航空界的严峻局面，国家于80年代中期决定发展涡扇10系列发动机。依据装配对象的不同，涡扇10系列有涡扇10､涡扇10A､涡扇10B､涡扇10C､涡扇10D等型号，其中涡扇10A是专门为中国赶超世界先进水平而上马的新歼配套的。中国为加快发展涡扇10系列发动机，采取两条腿走路方针:一是引进国外成熟的核心机技术。中美关系改善的80年代，中国从美国进口了与F100同级的航改陆用燃汽轮机，这是涡扇10A核心机的重要技术来源之一;二是自研改进。中国充分运用当时正在进行的高推预研部分成果(如1992年试车成功的中推核心机技术，性能要求全面超过F404)，对引进的核心机加以改进，使核心机技术与美国原型机发生了较大变化，性能大为增强。涡扇10/10A是一种采用3级风扇，9级整流，1级高压，1级低压共12级，单级高效高功高低压涡轮，即所谓3+9+1+1结构的大推力高推重比低涵道比先进发动机。该发动机在研制时成功地采用了跨音速风扇;气冷高温叶片，电子束焊整体风扇转子，钛合金精铸中介机匣;挤压油膜轴承，刷式密封，高能点火电嘴以及整机单元体设计等先进技术。其中涡轮叶片采用定向凝固高温合金先进材料，以及采取了对流､前缘撞击加气膜“三合一”的多孔回流复合冷却的先进技术，使涡轮叶片的冷却效果提高了2倍。涡扇10的涡轮叶片虽然是定向结晶的DZ125，但采用了我国独创的低偏析技术，其综合性能可以和第一代的单晶高温合金媲美。但同样存在不足，最大缺点是涡轮叶片有中空部分，某些部位壁薄，在凝固时柱状界面之间容易产生裂缝，使得制造上受到限制。但总体来说，涡扇10A的性能参数在国内还是首屈一指，这也使得中国航空动力事业达到了发达国家80年代中期水平，在中国航空发动机发展史上具有里程碑式的重要意义

在过去的百年中, 世界航空动力已经取得了巨大的进步。随着新的概念、理论、方法和技术的发展与应用, 21世纪航空动力技术必将加速发展, 迎来以高超声速空天自由往返飞行为标志的新的航空时代, 取得更加辉煌的成就。过去我国航空发动机基本上只能靠仿制，这里面既有技术发展初期没有技术积累的困难在，也有投入少，资金难的问题。但是路是一步一步走出来的，随着歼20、运20的上马，对应的配套发动机也相继展开了研制。在这一类型的发动机里，所要求达到的性能都是世界一流水平的，我们可以说是没有可以仿制的对象，如果一定要说有，那么也是别的国家最顶尖的产品，他们是不可能拿给我们来仿造的。就拿歼20所配套的涡扇15来说，作为第四代战斗机，其中一个重要的技术指标就是超音速巡航，而目前国际上所能达到标准的只有美国F22所使用的F-119发动机，即使俄罗斯的AL-41，目前也仅仅是在研制阶段。欧洲的台风战斗机所使用的EJ-200发动机，也仅仅是特殊条件下可以勉强达成超音速巡航。

近几十年来，我们忍受了各种外界的制约，从仿制到自行研制，笔者认为，正是国外的封锁让我们有了前进的动力。我们仿制了几十年，现在我们有了技术累计，国家强大带来的资金充裕，各方面因素，让我们有了从蹒跚学步到助跑前进的大进步。当这些关键性技术得到突破后，我相信之后一连串的跨越式发展和连锁反应，将会在军工领域带来一波新的涟漪。

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