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航空发动机为何那么难?中国人就造不出先进的航空发动机吗?
我们先认识一下现代的先进航空发动机,现代战斗机、军用运输机、民航干线客机等采用的都是涡轮风扇发动机。
简单来说,涡扇发动机有2个同心圆涵道,由风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等5部分组成。
其中压气机、燃烧室和涡轮又往往被合称为发动机的核心机。战斗机用涡扇发动机,与运输机、民航客机的区别主要在于风扇,客机的发动机一般采用大直径风扇,可降低耗油率;战斗机的发动机风扇直径一般较小,以进行超音速飞行。
空气从涡扇发动机的进气口流入,经过压气机压缩后,在燃烧室与煤油混合燃烧,高温高压燃气经由涡轮、喷管膨胀,最后高速从尾喷口喷出。
涡扇发动机的推力一部分来自喷出燃气所产生的反作用力;另一部分是涡轮驱动风扇,风扇旋转驱动空气,经由发动机外涵道喷出的反作用力。
涡扇发动机为何那么难?想象一下,苏27的al-31涡扇发动机最大加力推力是12.5吨,2台al-31可推动20多吨的苏27以超过2倍音速飞行。但al-31的风扇直径不到900毫米,涡轮直径不到300毫米。
基本物理学原理,力是相互作用的,也就是说这么小尺寸的风扇、涡轮反过来要时刻承受着12.5吨的力。
形象一点说,大家应该都看过壮汉用喉咙顶着钢枪推动汽车的表演,涡扇发动机也大概如此,只是壮汉推汽车是慢慢挪动,而涡扇发动机要推动飞机以2倍音速飞行,各部件要承受住异常严酷的高温高压考验。
另外,一台用于超音速战机的涡扇发动机直径一般仅1米左右、长度4米左右。以al-31为例,这么小的一个圆筒状物体,要塞进4级风扇、9级压气机、2级涡轮、可收敛-扩张喷管、燃烧室、加力燃烧室,还要在之间安排冷却空气通道,周围安装燃油控制系统等的。
所以,设计、制造一台高性能的涡扇发动机,可谓‘螺蛳壳里做道场‘,难度极大。在世界范围内,掌握一流水平涡扇发动机制造技术的仅有英国罗?罗、美国普惠和通用3家公司,俄法两国都属于二流,这是一个真正的垄断行业。
专业一点地描述,涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗,首要的是提高增压比、提高热效率,涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标。
例如,第三代苏27的al-31发动机的涡轮前温度是1665k,而第四代f-22的f-119发动机将这个指标提高到了1977k;al-31的涡轮前温度尚在普通钢材熔点之下,但f-119的已超出约200度。
天峰科技公司的涡轴d与涡轴e发动机,涡轮前温度尚在2000k以下,而现在正在研制的这一款涡轮风扇发动机,涡轮前设计温度则已经达到2100k的高温。
要在这样高的温度下正常工作,必须采用了第三代单晶空心叶片。具体什么是单晶空心叶片,在此很难展开描述,只能说一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔(用于进气冷却),还要控制合金晶体生产连续一致,这需要极高超的精密铸造工艺。
李天峰在直升机制造厂待了两天,考虑到自己公司里面有很多事情,尤其是正在研制的这一款涡轮风扇发动机,现在正处在紧要关头,李天峰两天之后回了天峰科技公司。
………
中国商-用飞机有限公司。
这是一家专业民用客机制造商,说起翔-凤支线客机,大家可能都比较熟悉,这一款民用支线客机就是这家公司的出色产品(勿与现实挂钩)。
翔-凤支线客机,被誉为“21世纪新一代支线飞机”。是由中国商-用飞机有限公司研制的支线飞机。除飞机引擎由通用电气公司提供外,翔-凤是中国第一次完全自主设计并制造的支线飞机。
该飞机于2008年进行第一次试飞,在2009年取得适航证后,将交付客户投入商业运营,翔-凤支线客机有四种容量不同的机型,客机型大约能设置70~100个座位。
作为商飞公司的一名副总,高管之一,沈文升正在皱着眉头抽烟,每当遇到棘手的事情,或是烦心的事情,沈文升都会这样。
烟雾缭绕,办公桌上的烟灰缸之中,已经有不少的烟头,整间办公室之中也有一股明显的烟味。
“被卡住脖子的滋味真是不好受啊!”一边抽烟,沈文升心中这么想着。
目前,商-飞公司发展势头非常好,翔-凤支线客机在国内市场销售良好,口碑也非常不错,山东航空、上海航空、厦门航空等公司又和商-飞公司签订了上百架的订单。
按照这个势头,再过几年,翔-凤支线客机可能就能走出国门,走向国际市场,才四十几岁的沈文升正直年富力强,充满干劲,准备大干一场。
在这个节骨眼上,作为翔-凤支线客机发动机的供应商,美国ge公司却明确表示,从明年开始,将削减发动机的供应,且每一台发动机的价格还将上浮百分之十。
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