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中國航空發動機技術-80年代西方技術

(2010-08-27 14:04:54) 下一個
近日,解放軍報、人民網等官方媒體發表了對空軍5719發動機維修廠的表彰文章。文章透露,中國空軍成功將俄製AL-31F發動機的壽命從900小時延長至1500小時。那麽空軍5719維修廠是怎麽對發動機進行延壽?這背後又有什麽意義呢?網易軍事為您作出獨家分析。





航空發動機壽命概念解析

在中國現役航空發動機壽命管理中,采用總工作壽命和翻修壽命對發動機壽命實施控製,保證飛行安全。發動機總工作壽命是指發動機在規定條件下,從開始使用到最終報廢所規定的總工作時數。

翻修壽命是指在規定條件下,發動機兩次翻修之間的工作時間。發動機翻修壽命是基於發動機在外場使用的安全和可靠性要求而給定的,主要取決於航空發動機關鍵部件的使用壽命,比如承受1000多攝氏度高溫的熱端部件(渦輪葉片、渦輪盤和燃燒室部件)。發動機工作到了規定的翻修期限必須從飛機上拆下送到維修廠對發動機進行分解、檢查、更換磨損或損傷的零件,對轉子進行平衡,然後重新裝配,在經過性能調整試車,交付使用方檢驗後,重新出廠。

以中國殲10和殲11裝備的俄製AL-31F係列發動機為例,AL-31F的總壽命是900小時。中國空軍的主力航空兵部隊通常每年的訓練和值班飛行時數可以達到240-300小時,也就是說殲10和殲10戰鬥機通常每經過3-4年時間就需要更換全新發動機。AL-31F的翻修壽命比總工作壽命更短,大約為300小時,所以每架戰鬥機都需要有額外的備用發動機,以保證戰備和訓練不受影響。但如果一部發動機翻修壽命和總壽命過短,頻繁更換,不僅影響戰鬥機的戰備和訓練時間,還會導致一款戰鬥機的全壽命使用費用激增。


1台美製發動機頂4台俄製發動機

中國空軍從上世紀90年代初確定了攻防兼備的戰略空軍作戰思想後,隨即在1992年迎來了第一批從俄羅斯進口的蘇27SK重型戰鬥機,其動力係統AL-31F發動機也隨之走進國門。此後,中國自主研製的殲10戰鬥機也在國產發動機進度較慢的形式下,選擇了俄羅斯的AL-31FN發動機。至此,AL31F係列發動機變成了中國空軍主力戰鬥機的頂梁柱。

AL-31F係列發動機的翻修壽命為300飛行小時、總壽命900飛行小時。與俄羅斯AL-31F發動機同代的美國第三代渦扇發動機F100和F110的翻修期在800-1000飛行小時左右,總壽命在2000-4000飛行小時左右。大概來說,美國航空發動機的翻修期是俄羅斯發動機的2倍,總壽命是俄羅斯發動機的4倍。也就是說,美國的發動機1台頂4台俄羅斯發動機。

與美軍相比,裝備俄羅斯發動機中國空軍的後勤壓力和保障難度更加大。在和平時期,中國空軍部隊大概一年左右時間就需將戰鬥機上的發動機拆下,運回維修廠進行翻修,也許這不過是增加費用,影響戰備而已。但是在戰時,作戰飛機的持續作戰能力就會因為發動機壽命不足而大打折扣。以每天作戰5小時計算,中國的殲10和殲11作戰兩個月就需要進行發動機翻修,而此時美國的作戰飛機還沒達到翻修期的一半。麵對如此巨大差距,中國空軍急需通過各種技術手段提高AL31F發動機的翻修期和總壽命。




根據解放軍報的表彰文章,空軍5719維修廠通過發動機維修再製造技術成功的將AL-31F發動機的翻修期改進到500小時,總壽命改進達到1500小時,基本相當於將中國主力戰鬥機維修和更換發動機的時間延長了一倍,為增加中國空軍持續作戰能力和減輕後勤負擔做出了突出貢獻。

但即便如此,AL-31F的翻修壽命、總壽命也僅及美國同代發動機的一半,相當於上世紀70年代的西方水平。就連“飛豹”戰鬥轟炸機所使用的國產“秦嶺”發動機也達到了1000小時的翻修壽命,要知道“秦嶺”發動機的仿製對象為英製“斯貝”MK202,這是一款比AL-31F落後一代的發動機。其實俄係發動機一直有壽命過短的問題,中國空軍的殲10、殲11部隊要擺脫持續作戰能力受限的困境,就隻能依靠國產發動機去實現了。

太行發動機壽命相當於AL-31F的3倍

在國產渦扇發動機中,與AL-31F同級的就是由於研製進度落後沒有趕上殲10定型的太行發動機。根據資料推測,這款在中美蜜月期啟動,按照國軍標(很大程度上參考了美國軍用標準)體係研製的發動機,翻修壽命達到了800-900飛行小時,總壽命在2000飛行小時左右。其中太行的翻修壽命竟然相當於原來渦噴7發動機(用於殲7戰鬥機)的總壽命,1台太行發動機可以頂3台AL-31F。




空軍5719維修廠成功將AL-31F發動機延壽至1500小時,並突破了21項關鍵技術,其中三項關鍵技術更是直接與國產高推重比渦扇發動機相關。根據解放軍報、人民網的報道,空軍5719維修廠成功將AL-31F發動機延壽,主要得益於該
工廠突破了航空發動機再製造的21項關鍵技術。名詞解析:“軍用航空發動機再製造”是指對已經達到總壽命或大修時限的發動機進行完全分解,通過徹底清洗、探傷,遴選出符合要求的零部件,翻新成完全符合新發動機零部件。通過技術升級,“再製造”的航空發動機在性能和質量上可以達到甚至超過正常生產的新發動機。而且在零部件再製造方麵,“再製造”技術比製造技術難度還要高。

通過對人民網文章的分析,筆者發現5719維修廠所掌握的再製造技術,不僅使眾多已經報廢的AL-31F發動機“起死回生”。其中高溫合金渦輪葉片再製造、粉末冶金渦輪盤再製造和自動微弧等離子焊接,這三項關鍵技術更是與國產高推重比渦扇發動機相關。直接地說,按照空軍5719維修廠所掌握的技術來判斷,中國發動機工業已經超越俄製AL-31F,掌握了西方第3代軍用渦扇發動機的製造技術。

以下為“高溫合金渦輪葉片再製造”、“粉末冶金渦輪盤再製造”和“自動微弧等離子焊接”三項關鍵技術的簡要介紹。

渦輪是噴氣發動機的核心器件,而其上的葉片因為要承受高達1000多攝氏度的高溫和巨大的旋轉離心力,具有很高的加工難度。“渦輪風扇發動機”和“渦輪噴氣發動機”的名稱,之所以都帶上“渦輪”就是因為渦輪是噴氣發動機的核心器件。在航空發動機內部,渦輪葉片主要負責將燃燒室高溫燃氣的熱能和勢能轉化為動能,渦輪葉片需要承受高達1000多攝氏度的高溫和高速旋轉帶來的巨大
離心力,是體現航空發動機技術水平的核心部件。

為了提高渦輪葉片的耐高溫性能,AL-31F發動機采用了ЖС26定向凝固合金精密鑄造葉片。也就是通過精密鑄造技術幹預高溫合金結晶,使其內部晶體結構都向著受力方向統一延伸,這樣就可以極大改善葉片承受高速旋轉離心力的性能。另外,為了增強葉片的耐高溫性能,AL-31F的渦輪葉片還采用了複雜的空心氣冷冷卻手段,渦輪葉片內部是空心的,並且有複雜的氣流冷卻通道。

雖然采用定向凝固高溫合金與空心氣冷手段大大改善了AL-31F發動機的性能,但是極大的增加了對其損壞後葉片再製造的難度。渦輪葉片再製造就是將損壞的渦輪葉片修複完全使其能夠像全新的葉片一樣能夠重新利用。對於AL-31F發動機的ЖС26定向凝固合金渦輪葉片,修複損傷處時必須保證新鑄造結晶與原來結晶方向吻合,也就是說不僅要接上“斷肢還要保證“血脈”重新相連,否則新修複部分即便可以與原來的葉片看上去融為一體,但是在高溫強受力環境下立刻就會分崩離析。而且還要保證渦輪葉片複雜的內部空氣流道暢通,其難度比新生產一塊葉片還要加大許多。

一片渦輪葉片的價值數倍於同等重量的黃金,5719維修廠攻克定向凝固高溫合金葉片再製造技術實現了渦輪葉片報廢後的回收重新利用,不但節省了大量資金和貴重金屬消耗,還使中國擺脫了高性能渦輪葉片需要進口才能進行發動機維修更換的被動局麵。

在太行發動機上已率先應用的國產粉末冶金渦輪盤(此圖已裝葉片),AL-31F發動機由於渦輪盤很容易發生金屬疲勞是其翻修壽命較短的重要原因。渦輪葉片是安裝在渦輪盤上的,葉片上的巨大離心力載荷最終還是由渦輪盤來承受。另外渦輪盤的外緣和葉片一樣直接接觸燃燒室衝出的高溫燃氣,內緣卻連接在主軸上,工作溫度較低。渦輪盤內外緣的溫差高達數百度,這就導致整體渦輪盤的內外緣受熱程度不同變形程度也不同,這種變形一般被稱為“蠕變”。如果渦輪盤的抗蠕變性能不足就很容易出現裂紋並且可能在巨大離心力的作用下碎裂,這不僅會限製發動機的壽命,也會極大影響了發動機的使用安全。為了增強渦輪盤的抗蠕變特性典型三代渦扇發動機都采用了大直徑粉末冶金渦輪盤。“粉末冶金”就是將金屬原料用超聲波衝擊成極細膩的金屬粉末,然後在模具裏注入粉末進行高溫鍛造,通過高溫強壓將粉末壓成一個極為致密的部件。

但是AL-31F發動機由於前蘇聯暫時沒有攻克大直徑粉盤的製造工藝,采用的是ЭП742-ИД高強耐熱合金製做渦輪盤,抗蠕變性能較差,而且耐熱合金疲勞壽命也較短。軍用航空發動機在使用過程中經常出現大幅度的工況變化,飛行員為了做高強度的機動經常反複快速推拉油門杆,這就導致渦輪盤經常要麵對從低溫到高溫從低速到高速的劇烈變化,很容易發生金屬疲勞。AL-31F發動機沒有采用粉盤,也是其翻修壽命較短的重要原因。

不過,AL-31F發動機這一點缺憾,5719維修廠已經改善了。根據報道,5719維修廠掌握了粉末冶金渦輪盤的再製造技術,而再製造技術難度明顯高於製造,也就說明中國不僅僅給L-31F發動機更換了粉末冶金渦輪盤,而且更是掌握了新粉盤的再製造技術。這項技術在AL-31F發動機總壽命延長近一倍的過程中也是非常重要的。片輪盤作成一體,省去了連接用的榫頭、榫槽,使零件數目減少、結構簡化、重量減輕。圖中小圖則為傳統通過燕尾槽(紅圈中已指出一處)結合葉片組成的葉盤。一般來說,噴氣發動機壓氣機及渦輪風扇的葉片均用其葉身下的燕尾形榫頭裝於輪盤輪緣的榫槽中,再用鎖緊裝置將葉片鎖定。上世紀80年代中期,在噴氣發動機結構設計方麵,出現了一種稱之為“整體葉盤”或簡稱“葉盤”的結構。它是將葉片和輪盤作成一體,省去了連接用的榫頭、榫槽,使零件數目大大減少、結構簡化、重量減輕,而且還可消除空氣在榫頭與榫槽間的竄流,對壓氣機或渦輪風扇的性能還帶來一定好處。因此目前在一些新研製的發動機中整體葉盤得到廣泛采用。整體葉盤的關鍵技術就是焊接工藝一定要達到能讓兩個部件完全融為一體的技術水平。一般要采用電子束焊接、線性摩擦焊接或者等離子焊接。

5719維修廠掌握的核心技術是自動微弧等離子焊接。等離子是指在標準大氣壓下溫度超過3000℃的氣體,在溫度譜上可以把其看作為繼固態、液態、氣態之後的第四種物質狀態。1960年以後,等離子這個詞獲得了新的含義,那就是電弧通過渦流環或噴嘴壓縮而形成的高能量狀態。其焊接原理是:將等離子射流穿過整個焊縫並形成一個小孔這個小孔隨電弧的前移而閉合,等離子射流經過之處部件融化,經過之後融為一體。目前等離子焊技術是用於整體葉盤製造和風扇壓氣機葉片再製造的關鍵。

掌握此項技術之後,隻需要將已報廢發動機的風扇或者壓氣機葉片的受損部位清洗並且切割整齊,進行內部結構無損檢測之後就可以利用等離子焊將部分新葉片焊接在老葉片上即可重新製造出全新的風扇和壓氣機葉片。根據5719維修廠對這項技術的掌握程度來看,中國生產下一代高推比航空發動機需要的整體葉盤技術也已經獲得突破。

從官方對5719維修廠的報道來看,中國空軍成功將AL-31F的壽命從900小時延長至1500小時;並且,國產軍用渦扇發動機技術已經完成對俄製AL-31F的超越,達到西方80年代水平。隨著太行的成熟,殲10、殲11等中國空軍現役主力戰鬥機的“心髒病”已宣告解決。貴為“工業之王冠”的航空發動機已經困擾中國太久太久了,這對關心中國國防的人們來說確實是個好消息。

但必須看到的是,中國的航空發動機工業與西方先進水平仍有20-30年的差距。在國產第4代戰鬥機研製的關鍵時期,中國的航空發動機工業仍需要加緊努力,早日研製出與四代戰機相配套的先進渦扇發動機。另外,在大型客機所用的大涵道比渦扇發動機和直升機所用的渦軸發動機方麵,國內與國外先進水平的差距更大,更需迎頭趕上。

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