对航空发动机研究和发展规律的认识

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对航空发动机研究和发展规律的认识

江和甫　蔡　毅　斯永华

(中国燃气涡轮研究院　成都・610500)

摘要:探讨了世界上航空发达国家航空发动机技术加速发展的态势。分析了我国航空动力技术预先研究的现状及存在的问题。加深了对航空发动机发展规律的认识。对如何振兴航空、动力先行,把我国航空发动机搞上去,走自主创新的发展道路提出了建议。关键词:航空发动机;研究;发展

UnderstandingtheLawJfu&ong2hua

,Chengdu610500)

theaccelerateddevelopingtrendofaero2enginetechnologiesinThepresentsituationandexistingproblemsinChinaaero2propulsiontechnologyresearchhavebeenintroduced.Adeeperunderstandingofthelawofaero2enginedevelopmenthasbeenmade.Also,suggestionstovitalizeChinaaviationindustrywithputtingpropulsioninthefirstplaceinamannerof“creatingandactingonourown”isputforward.

Keywords:aero2engine;research;development

1　引言

航空发动机研制涉及众多专业的前沿技术成果,是一种属于多学科综合技术的“高科技产品”。世界上能研制飞机的国家很多,真正能独立研制先进航空发动机的只有美国、英国、法国、俄罗斯等四个国家。因此,它是一个国家科学技术水平和综合技术能力的标志,甚至是综合国力的象征。

空动力技术的发展,倾注了巨大的人力、物力、财力,

执行了一系列旨在促进航空动力技术进步的研究计划。如:美军方从20世纪50年代开始实施的航空推进技术探索发展计划以及70年代实施的先进战术战斗机发动机计划(ATFE);先进涡轮发动机燃气发生器计划(ATEGG)和飞机推进分系统综合计划。此外,NASA在70年代末还实施了发动机部件改进计划,高效节能发动机计划(E3),先进螺旋桨计划和发动机热端部件技术计划(HOST)。这些计划为各种先进军民用发动机提供了坚实的技术基础,并使美国达到了当今世界领先的水平,推出了一代又一代先进军民用发动机,跨上了一个又一个技术

2　现状分析

世界上航空发达国家诸如美国等都十分重视航

收稿日期:2001-07-18

8燃气涡轮试验与研究　2001年第14卷第3期

新台阶。在不到60年的时间内,使表征涡轮发动机

综合性能水平指标的推重比已由当初的2提高到10一级,确保了军、民用飞机性能水平的不断提高。航空动力行业已成为世界航空强国的军事工业和国民经济的支柱产业。

目前,美国在抓紧研制第四代战斗机动力装置F119涡扇发动机的同时,从1988年起在15年内投入50亿美元的巨资,分三个阶段实施“高性能涡轮发动机综合技术计划(即IHPTET计划)”。其目标是到2003年使涡扇发动机的推重比在现有基础上增加100%,即达到15～20,并使研制和使用成本下降35%。该计划至1994年已实现并超过了第一阶段目标,第二阶段的目标也已顺利实现,第三阶段预计将于2003年完成。由于IHPTET计划开展顺利,并取得显著成效,美国正酝酿在IHPTET计划的两项后续计划。一是“先进涡轮发动机概念(ATEC)计划”,目标是在2009年～2015年验证推重比增加150%达到25～30的发动机技术;2001年开始实施“通用的机计划(VAA,倍、法、德、俄。俄罗斯在其国内经济十分困难的情况下,仍投入巨资发展军用航空动力,研制推重比达11的涡扇发动机AL241F,以装备下一代前线重型战机的验证机1.44(MFI)。特别值得提出的是,从1978年左右起印度开展了推重比8一级发动机预研计划,到1995年完成核心机预研,1998年完成验证机(GTX235VS)研制,并在俄罗斯进行了高空台试验,计划于2000年首飞,同时他们正在积极推进推重比10～12一级发动机预研计划。以上这些充分说明,世界航空发动机技术正呈现出加速发展的态势,它得益于一系列的研究发展计划。

我国航空动力行业经过几十年的建设,已建成了较完整的生产体系,并专利生产和测绘仿制了多个型号。但我国航空发动机走的是一条从测绘仿制—批生产—自行研制的道路,因而对航空发动机技术的复杂性及其研制规律认识不足,未能选择一条科学的适合我国国情的发展道路,也未能制定出正确的发展战略,在决策和途径的选择上存在着诸多失误。首先是对航空发动机关键技术的预先研究重视不够,未能在打基础上下功夫,造成技术基础十分薄弱,技术储备严重不足;其次是在测绘仿制的过程

中又不注重消化吸收,只仿制了产品,并未能真正掌握其设计技术;再是在自行研制的多个型号中,不顾基础条件,盲目追求高指标、高速度,造成多个型号的研制过程反复、曲折,未能达到最终目标;最后是在投资方面严重不足,组织措施也不够得力。

1980年以来,我国对航空发动机技术的预先研究有所重视,开展了高性能推进系统工程预研等研究项目,虽然有一定的经费投入,但力度十分不足。20年来,只完成了发动机三大高压部件关键技术研究及核心机的初步性能验证,验证机计划未能付诸实施。应用其他先进核心机研制的发动机,尚处于型号研制的过程中。更高推重比的发动机关键技术预研也处于部件技术的验证阶段,距进入型号研制尚需较长的周期。因此,到目前为止尚无一台自行研制的发动机型号。,,加快发展,那。所以,航空动力技术的落后确已成为严重制约我国空军装备升级换代、航空工业快速发展的关键和瓶颈,给国防建设以及国民经济的发展带来不利的影响。

3　对航空发动机研究、发展规律的认识

根据各国发展航空发动机的历程和经验,可以看出,航空发动机研究、发展的基本规律为:3.1　加强预先研究,构筑坚实的技术基础

预先研究的范围涉及发动机所包含的所有技术领域,即热力、气动、传热、燃烧、控制、材料、工艺、测试、计算机等。航空发动机的每一次大的发展跨越,都是基础理论和工程应用方面创新的结果。如由离心压气机变为轴流压气机;从单涵道转变为双涵道,从等轴晶转变为单晶叶片;从实心叶片转变为空心叶片等等。加强预先研究,不仅是减小型号研制技术风险的需要,更是实现跨越式发展的需要。前述国外对预先研究工作的重视和持续地安排研究计划,证明了这条规律是正确的。3.2　坚持对预研成果的试验验证

任何预先研究都是由简到详、由浅入深地开展的。在每个研究阶段,都以某种假设为前提,因此其成果与实际不可避免地存在着偏差,验证的必要性

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是显而易见的。验证可分为不同层次(级别),由简到详,由单项到综合。其大致可分为:单项技术、模型验证、零部件验证、部件系统组合(核心机)验证、整机验证、试飞验证。高层次的验证往往是将若干项预研成果进行综合地验证,层次越高,综合程度越高,与真实的环境条件越吻合,其验证也更可信。

随着发动机性能的提高和对其内部工作状况了解的深入,对其预研成果的验证要求也越高。

验证预研成果的目的不仅在于证明预研成果的总体正确性,而是要着眼于对计算模型、设计方法的验证和积累数据,并为设计软件提供改进方向。因此,这种试验验证应该是精细的而不是粗放的。例如压气机的试验验证,不应只满足于总性能的测定,还应深入到级间、基元级、甚至叶片排内的测量,以揭示真实的内部流动规律,达到验证计算数学模型、设计方法、设计准则(如攻角选择等)的目的。为此,在试验验证时,要有最先进的测量手段,要不断投入,保证测试仪器、技术的更新。

美国IHPTET

)。

认或修改;

(3)　验证的最终目标是为工程应用(发动机研制)提供可信、可用的技术。

为了在真实工作环境下验证预研成果,最终需在发动机整机(技术验证机)环境中进行验证。这是十分重要的环节,国内对它的认识不够一致,使它成为当前影响发动机发展的重要原因之一。技术验证机利用现有发动机作为验证平台加以改装,但如果没有适用的平台或综合验证项目较多,或对于新概念(无法利用现有发动机改装)的验证,往往需要设计和制造专门的技术验证机,如美国的E3验证机。

经过验证机验证的预研成果,证明已达到了可转入工程应用的目标,它不仅提供了发动机研制时的原准机或原准部件,而且提供了相关的设计方法、规范、准则和数据库。,而这恰,。3),一般新研涡扇发动机需要20亿美元左右,而且市场竞争激烈,研制进度的拖延可能造成严重经济损失。因此,进入发动机型号发展阶段时,必须尽量选用成熟的或已经过充分验证的技术。目前,国外型号阶段周期缩短,既得益于技术进步,也受益于认真采取了风险评估和规避风险措施。由于过多采用高风险技术而导致严重后果的事例很多,如GE公司的F120在竞争中的失利;RR公司在RB211研制中采用当时尚不很成熟空心风扇叶片而导致公司破产等等。

发展发动机型号时,企业为了满足用户的高要求,往往大量采用新技术。这些新技术在预先研究后,技术验证的程度决定了采用它们时的风险大小。在型号发展阶段只允许采用经过充分验证了的新技术,把总的风险控制在可允许的程度。为了控制技术风险,必须认真进行风险评估,对不得已而采用的尚未充分验证的新技术(高风险项目),要认真研究规避风险的措施,或提前进行支持性试验,或准备后

图1　美国IHPTET对新材料研制的途径和鉴定验收过程

从图1中可以看出:

(1)　验证要强调符合将来发动机零件的生产工艺和实际工作条件;

(2)　验证要落实于对生产工艺、设计准则的确

备技术方案。当总体上风险较大或难以确切评估

时,要在工程发展之前安排型号验证机研制,查明风险的程度,以减小工程发展阶段的风险。

规避风险的一个极端是购买国外成熟的产品进行测绘仿制。这样做只能获得已经或将要落后的产品,委身特殊政策保护下的市场。对技术落后的国

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家,引进可以提高本国发展的起点,但引进之后,如

果不认真地“吃透、消化”,即补做预先研究和技术验证,就必然在这个起点上踏步不前或行如蜗牛,其结果是堕入仿制的怪圈难以脱身。俄国、美国都是在20世纪40年代从购买英国尼恩发动机专利为起点发展本国航空涡轮发动机的,并取得了很好的效果。我国也几乎是同时购买尼恩发动机专利,后又引进了WP6、WP8等发动机,但却陷入了不断引进的窘境。其主要原因就是美、俄在购买专利后,很快建设了自已的试验设备,培植自己的研究能力,而我们则醒悟太晚。3.4　严格型号研制中的试验考核

航空发动机因其使用特点而不允许带有隐患地投入使用。因此在投入使用之前必须进行充分的试验考核,暴露隐患并予以解决。在试验考核过程中,同时进一步验证和完善设计规范、准则,充实数据库,为其他型号研制提供依据。

为了进行试验考核,验设备,如高空模拟试验、定、吞水、、。,我国与先进国家相比还有很大差距。3.5　重视发动机的使用发展

一个新的发动机型号从技术准备开始到设计定型往往需要20年左右的周期。因此,一般来说一种发动机开始服役后,要20年之后才有新型号发动机可以替换。在这段期间,用户对发动机提高性能或改善某些特殊性能的要求主要通过在役发动机的使用发展来满足。

使用发展包括可靠性增长、延寿,也包括性能的改进或发动机改型。通过使用发展可以扩大用户范围,增加订货从而改善发动机研制投资效益。

用同一核心机派生发展出不同用途、不同推力等级的发动机,是国外普遍采用的方法。核心机是技术难度和风险最大的发动机部件,其性能水平对发动机性能水平有决定性影响,其研制周期也比其他部件长。因此利用核心机派生发展新的型号(或改型),不仅减小了风险,而且有很好的经济效益。

使用是航空发动机的研究发展的最终目标,在研究发展中所用的各项技术能否满足使用要求是对这些技术的最终考核。因此使用发展阶段积累的经

验和数据是十分可贵的。要充分利用它们来完善、改进下一轮工作。例如F404研制中,根据使用(试飞)中出现的导管裂纹故障,又增加了按转速为台阶式的长期试车考核;根据使用中空中停车问题,逐渐发展出了发动机稳定性评定方法等等。

4　几点建议

根据上述认识,为了把我国的航空发动机搞上去,我们认为:

(1)　必须提高对航空发动机在军民用飞机研制中、航空工业中、国防建设中、国民经济中的地位和作用的认识。没有好的航空发动机决不可能有好的军民用飞机;没有独立自主研制先进航空发动机的能力就没有完整的航空工业。于人。法国坚,。

(2,、技术密集,是一种汇集多学科前沿技术成果的军、民两用“高科技产品”,并且其真正的核心技术决不可能从国外引进,必须依靠自己。

(3)　遵循研究、发展航空发动机的客观规律,贯彻“动力先行,预研先行”的方针和“打好基础,自主创新”的指导思想,下大力气加强预先研究,改善研究条件,重视试验验证,抓好设计规范、准则、数据库等技术基础建设。这是我国航空动力行业的发展,经受挫折经验的总结。

(4)　按照基础研究—突破关键技术—先进部件—核心机—验证机—型号研制—使用发展的发展道路是我国自主地发展航空发动机的唯一选择。制定科学的适合中国国情的中国航空发动机的发展战略和能贯彻始终的研究和发展规划是十分关键的,必须在投资力度上满足研究和发展的实际需要。

(5)　必须加强对航空发动机研究和发展全过程的组织与管理。包括项目的选择、目标的确定,队伍的组织,人才的培养,技术基础设施的建设。扎扎实实地解决一切必须解决的问题。

(6)　在“打好基础,自主创新”的指导思想下,积极争取开展国际合作,舍得花钱引进技术,引进人才,以提高起点,少走弯路。这是迅速提高我国技术水平的一条捷径。