我国航空发动机现状:一关键难点制约性能提升
来源:CNAS实验室认证    发布时间:2023-10-13 13:52:01 ...


  美国部分议员曾建议对华禁售LEAP发动机和霍尼韦尔飞控系统,虽然禁售航发这事最后没有落实,但是已经在媒体上引起轩然,人们纷纷担忧我国C-919客机的发展前景。

  我国自己的航空发动机可以替代LEAP发动机吗?我们航发发展的难点是什么?答案我们接下来揭晓。

  LEAP发动机是美国GE,也就是通用公司和法国的赛峰公司联合研发的发动机,他是目前世界上装机数量最多的航空发动机,美国的波音737、欧洲的空客A320都使用了LEAP发动机,我国的C-919大型客机为了早日取得欧美的航空适航许可证,也选择了使用该发动机和美国成熟的霍尼韦尔飞控系统,这样做才能够极大的缩短飞机研发周期,降低研发风险,并且取得市场认可。

  商业领域和军事领域不相同,军用领域可以大量使用国产新技术,但是C-919客机不行,各个航空公司还是要看飞机的技术成熟度,以及对市场早已认可的软硬件设备的使用情况。正如买手机时,搭载骁龙CPU能轻松的获得认可一样,买飞机的航空公司看见LEAP发动机,心里也就有了底。就算是国产航发再好,但是奈何没有经过多年使用的经验积累和修改,航空公司还是难免有质疑。

  所以,我国一开始就确定在C-919上使用西方早已经很认可的LEAP发动机,这对C-919是有利的。然而,如果出现了发动机断供,C-919客机的研发就要受一定的影响,因为更换了发动机的客机就要重新进行试飞,而且还要重新建立维护保障体系,重新建立产品供应链条,试飞人员也要重新适应飞机的飞行特征。

  不过,即便是困难再多,如果出现LEAP断供,该换发动机还是要换的。我国有可以替代LEAP的发动机吗?有,并且还有3款,但是这3款各有各的问题。首先是专门为替代LEAP发动机研发的国产CJ-1000A大涵道比涡扇发动机,该发动机在2018年点火成功,他的基本性能和LEAP非常接近,也是未来C-919客机要搭载的发动机。

  然而,他要研发成功还需要很久。点火成功不等于研发成功,更不等于设计定型,点火成功后,发动机的地面测试才起步,距离高空台架测试、高寒测试、耐热测试、碰撞测试、飞行测试都还有很远的距离,要完整的的测试整一个流程,起码还需要三五年时间,一旦美国从今年开始断供LEAP发动机,那么意味着C-919若选择搭载CJ-1000A,就需要拖延3-5年之久,这显然有些太久了。

  当然,我国还有涡扇-18中等涵道比发动机可以替代,他是目前国产大飞机运-20的主动力。涡扇-18是我国仿制俄罗斯D-30-KP2发动机的产物,该发动机推力为14吨,目前已经研发完成,小批量交付空军使用,在运-20运输机和轰-6K轰炸机上都能够正常的使用。但是它作为一种军用发动机,和民用发动机有很大的不同。首先,涡扇-18更强调发动机的推力,而不是油耗和寿命,民用发动机则是更强调寿命和无故障间隔时间。

  其次,民用发动机要求更低的油耗,以降低航空公司的经营成本,因此,LEAP发动机要比同等推力、体积的军用发动机轻1吨,把大量的金属部件更换为复合材料,也就是耐高温的轻量化塑料材料。因此,涡扇-18发动机即便是可以装上C-919客机,能轻松实现基本的飞行性能要求,但是在油耗、成本、故障控制上都要比民用大涵道比发动机差很多。

  同样,我国还有一种大涵道比发动机,叫涡扇-20,他目前还处于设计研发阶段,距离装备也还有距离,也不能很快的补上LEAP断供的短板。那么是什么制约了我国航空发动机的发展?其实主要难题就一个:材料。我国在变成全球制造业大国后,在工程机械设计上进步很大,像航空发动机这样的高精密机械产品,我国已经可完全在结构上掌握。

  比如,我国国产的涡扇-10B“太行”发动机,推力达到了14吨,体积和尺寸都控制的很好,和俄罗斯AL-31FN差不多大,但是推力更高。这说明,我国在发动机的机械设计上不有一定的问题,这和很多国家把发动机推力做不大不同,说明那些国家在机械设计上首先没有达标。然而,制造发动机这台机器使用的材料却是我们的短板。

  我们能做出推力14吨的发动机,但是他的飞行寿命只有3000小时,无故障间隔也只有600小时,相比而言,西方国家在材料技术上的领先,让他们的发动机能够达到5000-10000小时的寿命。当然,我们也有寿命达到4000多小时的发动机,但是推力要降低到13吨左右。在涡扇发动机上,最考验材料技术水平的领域就是涡轮前温度的提升。

  涡轮盘叶片的耐高温能力,直接决定了涡轮前温度的高低,而涡轮前温度的高低,直接决定了发动机的推力性能。日本、美国都可以把涡轮前温度提高到1800℃左右,比如日本研发的小推力发动机XF5-1发动机和大推力发动机XF9-1发动机,涡轮前温度都是1800℃,相比而言,我国目前只能达到1700℃的最高水平。

  在提耐高温能力的同时,叶片还不能太脆。毕竟,提高耐高温要添加大量的铼合金,而铼加多了的结果就是叶片变脆,如何调节好各种成分的比例就最重要。我国的“太行”发动机测试早期,就曾经因为叶片太脆导致叶片断裂,造成了严重的“发动机喷零件”故障,一直到现在才解决到位。和机械设计不同,材料需要调配,这个和技术水平的高低关系不是很大,有时候运气决定一切,可能下一次调配就会成功,也可能50年也不会调配到位,西方在航空科技上有百年积累,自然在材料上更有经验。

  因此,材料科技的水平,目前是制约我国航发性能提高的关键,包括各个零部件的材料应用,只有材料过得硬,发动机的故障才会减少,性能才会平稳,否则总是故障缠身,就永远不敢在民用客机上大量使用,我国航发的大发展时期已经到来,近年来我们有太多的航发产品问世,下一步,我们一定要要聚精会神的攻克材料难关,一举让我国航发迈入一流领域。





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