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航空发动机研发有多复杂?为何举全国之力去突破

来源:未知 编辑:dd 时间:2019-10-02

(原标题:航空发动机研发有多复杂?)

记者 齐中熙

作为“现代工业皇冠上的明珠”的航空发动机,是衡量一个国家综合科技水平、科技工业基础实力和综合国力的重要标志。28日,中国航空发动机集团有限公司在京正式成立。

当今世界上最复杂的工程系统

航空发动机的研发有多复杂?

中国航发的专家说,这是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一,涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等众多领域,需要在高温、高压、高转速和高载荷的条件下工作,并满足推力/功率大、重量轻、可靠性高、安全性好、寿命长、油耗低、噪声小、排污少等众多十分苛刻而又互相矛盾的要求。

举个例子,发动机燃烧室及涡轮处的温度能达到1600—1700℃,加力燃烧室内温度高达1800—1900℃,而目前高温合金材料耐受的最高温度仅为1100℃。这就必须在发动机中采用复杂的冷却系统,设置迷宫一样的冷却通道、成千上万个引入冷气的细微小孔。

据统计,全新研制一型跨代航空发动机,一般需要二十几年,比全新研制同一代飞机时间长一倍。

专家表示,之所以研制周期长,资金投入大,是因为航空发动机不仅是设计和制造出来的,也是试验和试飞出来的。即使是技术最先进的国家,其当前技术水平也不足以完全通过设计分析预测结果。只有经过设计—制造—试验—修改设计—再制造—再试验的反复摸索和迭代过程,才可能完全达到技术指标的要求。

重要战略地位和巨大经济带动作用

中国航发有关负责人表示,成立中国航发,使创新发展航空发动机成为国家意志,缘于航空发动机具有重要战略地位和巨大技术经济带动作用。

航空发动机是、彰显强国地位的航空武器装备的“心脏”。

近代飞行能力的每一次突破,都与推进技术的发展直接相关。例如垂直起落飞机的成功,仰仗于可旋转喷管发动机的成功研制;巨型宽体客机的问世,少不了大涵道比大推力涡扇发动机的应用;先进战机的超声速巡航和超机动性主要依靠发动机高推重比和矢量喷管。

正是随着民用航空发动机推力、耗油率、可靠性和寿命等指标的不断提高,人类现在才能够在24小时内到达世界任何地方,使世界变成了真正意义上的“地球村”。

此外,航空发动机产业链长,覆盖面广,涉及机械、材料、电子、信息等诸多行业,对基础工业和科学技术的发展有巨大带动作用和产业辐射效应。据统计,按照产品单位重量创造的价值计算,如果以船舶为1,则小汽车为9、电视机为50、大型喷气飞机为800、航空发动机高达1400。

举全国之力突破核心技术

为落实创新驱动发展战略,建设制造强国,加快推进航空发动机产业自主创新发展,我国实施“两机”重大专项,举全国之力突破核心技术,大力发展航空发动机和燃气轮机技术及产品。

2016年1月,国务院正式批复中国航发的组建方案;3月,和国资委先后宣布了主要领导以及董事、监事的任职决定;5月,集团完成工商注册;8月,总部正式入驻海淀区。

据介绍,作为中央管理的国有特大型企业,中国航发注册资本人民币500亿元,是实施航空发动机专项的责任主体,由国务院、市人民、中国航空工业集团公司、中国商用飞机有限责任公司共同出资组建,是国有控股的集团公司。中国航发现有职工9.6万人,拥有一支高素质、创新型的科技人才队伍。

(据8月28日电)

/59 分享到 易信 LOFTER 新浪微博 腾讯空间 人人网 有道云笔记 科技图片中心 查看图集 俄罗斯AL-31发动机是怎样的

在“大气-24”加压舱里焊接,为了发动机部件的焊接完整性和精度,工人需要进入一个特殊加压舱对部件的关键点进行氩弧焊。1981年,UMPO在列宁格勒的“普罗米修斯”研究所制造了这个俄罗斯最大的加压舱——能达到两个大气压的“大气-24”。

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按照健康标准,工人每天在加压舱里工作4.5小时。每天早上他们要检查工作服,进行体检,然后才能开始工作。

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焊接工人身穿看起来像航天服的防护服装进入“大气-24”加压舱,穿过加压舱的第一进入气闸,他们把通气管连接在防护服上,然后关闭舱门,向气闸注入氩气。等气闸注满氩气达到压力平衡后,焊接工人打开第二进入加压舱开始工作。

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在纯氩气的下焊接钛合金不会被氧化。

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减少氩气中的杂质能获得高质量焊缝,提高焊接结构的疲劳强度。在难以够到的地方,焊接工人被允许拆掉焊枪的喷嘴进行作业。

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身穿全套防护服的工人看起来的确像太空人。焊接工人要经过严格训练后才能进入加压舱工作,一开始他们要身穿全套防护服在普通中训练,一般经过两周后就能发现那些人能胜任了,这工作可不是人人都能做的。

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一名专家在观察焊接作业,并与工人随时进行联系。

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他还负责控制焊接电流、注意气体分析监测仪,以及加压舱和工人的总体状况。

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其他人工焊接手段都达不到在加压舱中进行氩弧焊的效果,废话少说,用照片来证明吧。

电子束焊接机器

UMPO的真空电子束焊接在Ebokam焊接台进行,而且是全自动作业。真空电子束焊接能同时进行两到焊缝的焊接,而且把对零件外形产生的最小变形和变化降到最低。

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一名专家可以同时控制几个焊接台进行电子束焊接。

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这个零件是尾喷管的一部分,圆形喷管和喷管叶片需要进行等离子喷涂耐热涂层,使用TSZP-MF-P-1000机器人进行作业。

加工

UMPO有5个加工车间,共有约2500名员工,装备有先进设备。在这里他们制造机械配件、对模具进行冷热金属加工、制造刃具和量具、制造黑色金属和有色金属铸造模具。

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数控机床上正在加工的铸造叶片模具。

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现在制造一个模具需要3个月时间,而以前是6个月。

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自动测量装置能检测出零件的细微公差。现代发动机的零件和工装治具在外形上必须极其精确。

真空渗碳

自动化生产能够降低成本,提高加工质量,所以也适用于真空渗碳加工。在金属表面渗入碳原子能提高表面硬度,增强耐磨性能,这里使用了易普森真空炉。

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操作真空炉只需一名工人,零件经过几小时的热化学处理后就能变得更为耐用。UMPO的专家们开发的独特的工艺,能实施更高精度的渗碳。

铸造车间

先用模具铸造出不同外形和尺寸的零件毛坯,然后工人对毛坯进行最后的精细加工。

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在这个车间工作的基本都是女工。

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对蜡模进行灌浆并获得陶瓷铸型,是铸造工艺中的重要一步。

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陶瓷铸型经过烧结后才能用于浇铸。

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经过烧结的陶瓷铸型,冷却后就能用于浇铸了。

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这看起来是已经浇铸了融化的合金。

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单晶叶片与同等重量的黄金一样昂贵。铸造这种叶片的技术非常复杂,但这种叶片的性能在所有方面都优于普通叶片。每片叶片都用特殊的镍钨合金“生长”而成。

宽弦空心叶片加工

这是为PD-41发动机制造的宽弦空心叶片,这种发动机是MS-21客机的动力来源。这个被隔出的特别区域里的机器对钛合金叶片毛坯进行切削成形,并对表面进行机械打磨和抛光。

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UMPO设计制造的宽弦空心叶片垂直工装夹具,能对叶片进行最后的校准。

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喷气发动机的重要组件,复杂的压气机转子。

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装备涡子是一个耗时的工序,需要具有特殊技能的专家。叶片的安装精度事关发动机能否可靠地运转。

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组装完毕的多级压气机转子。

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对转子进行平衡也非常重要,这种特殊人才只能由工厂自行培养。

管道与管

要让发动机上各部件都协调运行转起来,驱动液压泵,旋转涡轮、让喷管能够扩散,就要用各种管道与管把各部件连在一起。这些管道与管被视为飞机心脏上的血管,具有极其重要的意义。UMPO有个车间专门生产这些“血管”,具有各式各样的尺寸和直径。

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生产这些“血管”需要大量的手工劳动,在一些细节上的确算得上手工工艺品。

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许多钛合金和不锈钢管弯管作业要用到数控的“弯管大师”42 MRV机器进行,在电脑上设置好角度就能控制机器弯管了。机器先进行初步弯管,然后进行测量并完成最后的精确弯管。

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在成品发动机上密如织网的管道与管,每根都有自己的作用。

最后的组装

各零件和总成在总装车间被组装起来,组装作业对工人的素质要求很高。

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工人师傅们正在把不同组件组装在一起。

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最后一步是安装燃油包含调节装置、信号和电子设备的附件。

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最后一定要仔细检查各部件,看看是否对齐和居中,否则发动机运转时会产生振动。

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没有通过承载测试的发动机被退回总装车间,最富经验的老师傅出马拆卸发动机,进行清洗并查找故障点。他们把拆下的组件先用汽油洗干净,然后对其进行检验、测量和分析,找到问题后把故障零件送回制造车间进行同样的测试。然后这台发动机被组装起来再次进行测试验收。

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工人在这个大型组件上作业。

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喷气式发动机是20世纪最伟大的技术发明之一,但到现在仍只能依靠熟练工人手工装配。

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在发动机制造的各阶段都有严格的质量控制,总装车间也不例外。

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这是AL-31FP的矢量喷管,也是区别该发动机和AL-31F的标志。

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矢量喷管的使用寿命是500小时,发动机1000小时大修前要像这样翻新两次喷管。

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用这个特别的工作台能方便检查喷管各组件。

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矢量喷管能增强战斗机的机动性能,就其本身外形而言,也是相当令人震撼的。

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总装车间的一角摆放着过去20-25年来UMPO制造过的所有发动机的参考样本。

发动机测试

发动机测试是生产环节中最后一步,也常重要的一步。这个专业测试车间配备了现代化的自动化控制系统,实施承载测试和验收测试。

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在测试过程中,包括连接到同一局域网的三台电脑在内的一套自动信息测量系统测得发动机详细参数。测试人员计算机上发动机参数和警报,测试结果实时处理,试验的所有信息都保存在计算机数据库中。

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测试一台发动机的耗时根据技术要求有所不同,有时甚至长达数天。测试完成后的发动机会被拆解清洗,然后包装。

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关于测试的所有信息在进行处理后生成报告,并付有图表,可以电子或纸张形式发出。

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烟道。

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测试车间外部,一旦有测试任务,在这里就能听到震耳欲聋的噪音

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这里是第40车间,负责把UMPO生产的所有产品并发给客户。但这不是该车间的唯一任务,他们还负责对产品进行最后验收、入库检验、存放和包装。

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等待打包的AL-31FP。

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发动机被整齐包裹上包装纸和聚乙烯薄膜,但这还不够。

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发动机包装外面还要贴上标签,以及一套完整的技术文档:里面包括合格证、表格等。

59俄罗斯AL-31发动机是怎样的

怒吼的发动机!

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/16 分享到 网易微博0 新浪微博 腾讯空间 人人网 有道云笔记 科技图片中心 查看图集 01. 日间测试早早开始,该图拍摄于早上7点钟。

 

02. 该测试中心位于温尼伯,该城市很适合营造飞机引擎在高空会面临的严寒。

 

03. 整个测试中心占地12.2万平方英尺。

 

04. 现场温度最低可至华氏零下20度(近零下29摄氏度)。

 

05. 风洞鸟瞰图

 

06. 这7个大功率风扇的风速最高可达每小时65英里。

 

07. 引擎置于风扇之前进行测试。

 

08. 通用电气的设备可以形成飞机引擎在飞行过程中会遇到的冰云等气象条件。

 

09. 制冰舱周围的灯环方便观察夜间测试结果。

 

10. 从制冰舱看GEnx引擎

 

11. 测试期间,摄像头捕捉图像的速度最高可达每秒500帧。

 

12. 通用电气航空集团的高速成像工作室

 

13. 这些图像可帮助通用电气工程师了解冰如何在引擎风扇的叶片和旋转器结成。

 

14. 那是极具价值的数据,因为引擎需要在上万英尺高空和严寒天气中运作。

 

15. 未来几年温尼伯测试中心将用于测试空中客车(Airbus)A320neo和波音737MAX喷气式客机的引擎。

 

16. 进行低温测试过后,GEnx引擎进入夜间休息。(皓慧)

 

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