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日志

 
 

官方:揭秘国产昆仑太行两型发动机研制内幕!  

2008-08-04 11:14:49|  分类: 中庸装备资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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国产最新型涡喷14昆仑发动机

 
“太行”发动机的研制成功标志我国已进入世界航空强国之列

  “昆仑”巍峨“太行”苍茫——我国航空发动机发展之路

  一个国家,没有独立自主研制发展的航空发动机事业,就没有独立自主发展的航空工业;没有先进的航空发动机事业,就没有先进的航空工业。改革开放三十年,我国航空工业以“太行”发动机研制成功为标志,实现了我国军用航空发动机从第二代向第三代,从涡喷向涡扇、从中等推力向大推力的跨越。这“三大跨越”标志着我国已具备自主研制大推力军用发动机的能力,配装我军主战机种的发动机开始摆脱受制于人的被动局面。这是历史性的突破,大大增强了我国的军事实力。

  航空工业是知识密集和技术密集的高科技产业。航空发动机更是典型的技术密集和高附加值的高科技产品。它要在高温、高压、高转速和高负荷等苛刻条件下长期反复工作,要求重量轻、体积小,使用安全可靠、经济性好,因而必须设计精巧、加工精密、使用高性能材料合成附件。研制航空发动机技术难度大、投资多、周期长、风险大。世界能搞飞机制造业的国家不少,而能独立研制发展航空发动机的只有美、英、俄、法这样少数几个国家。

  艰难跋涉话“昆仑”

  军用航空发动机核心技术,发达国家对外实行严密的封锁。走独立自主研制航空发动机的道路,是我国的必然选择。

  20世纪60年代初,为打破国际上对我国的技术封锁,独立自主地发展我国航空动力尖端技术,在沈阳成立了中国一航沈阳发动机设计研究所,大批创业者怀着航空报国的执着理想,汇聚到沈阳开始了艰苦卓绝的大会战。

  “昆仑”发动机从1984年6月开始,经历了由验证机到原型机的研制阶段。军方要求,飞机原则上不做改动,要求“昆仑”与现役同类发动机比,做到外廓尺寸不变、空气流量不变、安装形式不变;要严格按照国军标编制的型号规范进行研制,这意味着要一步跨上与国际先进标准接轨的台阶,要求“昆仑”推力要大,耗油率要低,可靠性、维护性要好。

  到1991年初,一航动力所设计的“昆仑”发动机,按照空军提出的要求,采用了许多新技术。先后进行了两次重大修改设计,攻下了压气机转子叶片和涡轮叶片断裂等关键技术。

  “昆仑”研制中遇到的最大难题是:由于压气机喘振裕度不够,造成高压压气机和低压压气机工作不匹配。在这之前,攻关组历经3年多时间,通过修改设计,提高了低压压气机的喘振裕度。

  1991年4月,我军新机选用“昆仑”发动机做动力装置,列入国家重点型号加速研制。1993年12月12日,“昆仑”首飞成功,这是中国航空工业史上值得纪念的日子。首飞半年后,攻关组经过多次修改设计和试验,最后高压压气机采用高扩稳增益的机匣处理技术,以新的结构取代了“放气”装置,终于攻克了困扰“昆仑”多年的高、低压气机不匹配这一重大技术关键。

  “首飞不易,定型更难”。“昆仑”是第一个按国军标研制的发动机,攻关组为了一丝不苟地贯彻国军标和型号规范,决心要编出符合要求的材料手册来。他们与一航材料院等20多个单位协作,在收集了16000多炉次十几万个数据和17种新材料补充试验的基础上,花了8年时间,编辑出版了我国第一部《航空发动机设计用材料数据手册》,不仅解决了“昆仑”研制中的燃眉之急,而且为今后航空发动机的设计奠定了坚实的基础。

  攻关组经过数年奋战,数万小时的零部件试验,数千小时的整机试车,先后排除了发动机振动过大、涡轮导向叶片烧蚀、火焰筒裂纹等上百个技术故障。顺利通过了国内新研制发动机第一次进行的转子超转与破裂、低循环疲劳等部件试验和整机试车考核,以及所有成附件的环境试验。

  “昆仑”在1997年四季度高空大马赫数试飞中,发动机先后出现3次喘振停车。在试飞现场,攻关组首先对“昆仑”进行喷水逼喘试验,进一步考核喘振裕度。从工作原理到设备选型、选材、给水加温、防冻、过滤、测试、支撑结构等每一个细节都严格把关。经过20多天紧张的喷水逼喘试车,弄清了故障原因,终于使高空大马赫数停车这一通常至少需要1年才能解决的重大技术关键,只用了4个月就彻底攻克。

  攻关组借鉴国际上先进的气膜冷却技术,大胆采用了复合气冷空心涡轮叶片。这种叶片被誉为现代航空发动机技术“王冠上的明珠”。它不仅包括先进的设计技术、高温材料技术,还包括定向凝固技术、无余量精铸技术、五坐标数控打孔技术、磨粒流光整技术、无损检测技术、冷却试验技术、高温涂层技术。一航动力所为攻下复合气冷空心涡轮叶片这项尖端技术,组成了“国家队”,集中国内最优秀的设计、材料、工艺、加工、检测等方面的专家进行研制。经过8年的研究、改进、试验、再改进、再试验,终于掌握了这项尖端技术。1997年12月20日,我国第一台具有自主知识产权、自行设计的“昆仑”高性能双转子加力涡轮喷气发动机终于试制成功。



  蓝天丰碑说“太行”

  日前,我国自行研制的大推力涡轮风扇发动机“太行”通过设计定型审查,引起了业内外强烈的反响,也引起了国际上的关注。

  2005年,一航动力所实现了“太行”发动机的设计定型,这不仅实现了技术水平的一个极大跃升,而且实现了产品性能的一个极大跃升。第三代涡扇发动机不但在总压比上较第二代涡喷发动机有很大提高,而且在材料的使用温度上较第二代发动机也有大幅提高,同时对零件的加工精度要求上也全面提高了。这样,一航所有参研单位,在“太行”发动机研制过程中就要突破很多“新材料”、“新工艺”的难度,进行大量的技术攻关,同时在加工设备上要进行技术改造。由于涡扇发动机有一股外涵气流,因此,涡扇发动机在发动机整机参数匹配上与涡喷发动机有较大的差异,另外,由于进入加力燃烧室的气流温度较涡喷发动机低,因此组织燃烧也困难。第三代涡扇发动机的部件水平又较第二代涡喷发动机上了一个大台阶,不但设计难度大,而且在试验设备上也需要相应的技术改造。

  “太行”发动机的研制经过了18年的艰苦历程。通过研制这个型号航空工业收获颇丰:

  拿出了一个产品。成功研制了“太行”发动机,解决了国内飞机动力长期受制于人的问题。很多年来,中国的飞机普遍患有“心脏病”,也就是作为飞机“心脏”的发动机技术不过硬。“太行”发动机是大推力涡轮风扇发动机,属于“三代机”水平。“太行”发动机研制的成功,可为我国数型飞机提供动力,在一定程度上缓解了发动机对飞机发展的制约。“太行”发动机同时也为我们搭建了一个平台,在这个平台上,我们可以更好更快地进行“太行”系列发动机的研究开发,还可以更为便捷地开展新型发动机预研,大大缩短研制周期。

  走出了一条路子。通过18年的艰辛研究,走出了“以我为主,自力更生,创新超越”的路子。从技术上,包括部件的设计、系统的设计、主机和加力的匹配、系统和发动机的匹配、发动机和飞机的匹配,从工艺、材料到加工,都进行了自行研制,大大提高了水平。

  带出了一支队伍。这支队伍的成员包括各个层次的技术领导、发动机设计人员、型号研制管理人员等,都通过这个型号的研制成熟起来。其中特别值得一提的是技术队伍。“太行”发动机刚开始研制的时候,技术人员大多数是60年代毕业的大学生。通过“太行”的研制,年轻一代成长起来了。从一航动力所来看,从设计人员到总设计师,现在已经全都是80年代毕业的大学生。

  创出一种新型模式。“太行”研制打破了“一厂一机”的模式,搞专业化生产大协作。从“太行”发动机研制开始,参研单位多达40余家厂所,参研单位争相采取新方法、新工艺,以创新的思维攻克制造中的道道难关。对一航动力所设计的加工难度非常大的叶片,他们欣然接受,组织攻关,生产出了合格产品,提升了工艺水平。

  形成一种精神。“太行”通过18年的研究形成了“矢志不渝,创新超越”的精神。所有参研人员都饱含着对祖国航空事业的热爱,始终怀着高度的敬业精神、奉献精神、创新精神和严谨的科学态度,埋头工作,刻苦钻研,全身心地投入到型号研制中去。

  “太行”发动机在研制过程中曾遇到过各种技术问题和故障200多项,如风扇第一级工作叶片断裂,采取改变“凸肩”设计,改进榫头设计和采取阻尼等多项措施予以解决。轴承故障,通过改善润滑解决故障。涡轮后支点滑油回油温度高的问题,主要在“空气系统”上采取措施使故障得以解决。

  在“太行”发动机研制过程中,在设计上,注重维修性品质,采用单元体结构设计技术,并设置齐全的状态监控手段,提供方便的保障设施。在几大关键部件的重大设计中,进行集成创新,选用了数十项有预研基础的新技术、新材料和新工艺,将预先研究成果与型号研制相结合,攻克了多个技术关键,在不断增长工程经验的同时,掌握了发动机国际先进的设计技术。“太行”发动机在自行设计过程中采用的新技术,有三级风扇为带进气可变弯度导向叶片的跨音速气动设计;两级低压涡轮为复合倾斜弯扭的三维气动设计;低压涡轮两级导向叶片均为空心、三联整体无余量精铸结构,与高压涡轮对转,其效率达到当今国际的先进水平;“太行”发动机复合材料外涵机匣是复合材料技术在国内航空发动机上的第一次应用。复合材料外涵机匣重量减轻30%;加力燃烧室为“平行进气”式,工作范围宽,重量轻,流体损失小,采用分区分压供油方案,保证了在发动机工作包线内的可靠点火和稳定;尾喷口为全程无级可调收敛扩散喷口设计,填补了国内的空白。

  “太行”发动机的研制成功,为我国今后航空军用发动机的发展指明了方向:一是要加大基础研究工作的力度。我国发动机设计队伍在基础研究和基础理论方面力量比较薄弱。因此,势必要求我们提前着眼新设计、新材料、新工艺,进行大量结构、部件、工艺等的研究和试验。二是要实现新机研制过程中硬件生产的快速反应。一种新型发动机研制要分几个批次,我国现在走一个批次,大概需要3到4年时间。在一些发达国家,发动机生产时间只有6至9个月。如果我们硬件生产周期可以缩短,“太行”发动机的研制成功会大大提前。三是要坚持不懈地加强发动机研制人才队伍建设。从一航动力所的情况来看,技术人员绝对数量少,在全所员工中所占的比例也少,还不能满足发动机研制新形势的要求,应该进一步壮大这支队伍。

  激情超越论创新

  中国一航黎明航空发动机(集团)有限责任公司是我国生产航空发动机的主力企业,他们对技术创新有着深刻认识和独到见解。

  林左鸣总经理在黎明公司工作期间,确立了以透平制造技术为核心制造技术,带领公司走上了以技术创新振兴企业之路。一航黎明的技术来源有三种,即自主创新、技术引进、合作开发,已形成多种技术来源形式相结合的创新体制。

  一航黎明在高度重视军用航空发动机研制生产的同时,也非常重视国际合作,转包生产从20世纪80年代初至今,已从承接小零件在军品生产线上小规模生产发展到建立了转包生产专业化厂,产值也由最初的年创汇几万美元到现在的年创汇几千万美元的水平。开展国际合作,促进了科技创新能力的提高,学到了世界上先进航空发动机企业的许多技术和管理经验。

  一航黎明在“太行”发动机研制及生产中所用材料已立足于国内,实现了国产化,材料的攻关取得了一定的成绩,但也存在着一些问题:新机研制周期长。试制与批产混线,设计与工艺协调不足,技术质量问题不能得到及时有效的处理等原因,使科研试制计划不能按节点实现;新材料的工艺性能有待于进一步提高。GH4169合金压气机、涡轮盘件,目前仍然存在盘件性能富裕度小,个别情况盘件的性能、组织无法满足标准要求;新工艺、新结构需要持续改进。收扩喷口为大型薄壁精密铸件,冶金质量及铸件尺寸要求高,研制初期合格率较低。针对以上问题,一航黎明组建项目专家“国家队”,打破行业壁垒,强强联合,优势互补,成果共享,结合型号研制应对挑战,坚决攻克技术难关。

  一航黎明董事长庞为认为,企业的长期竞争力,只能建立在产品的自主创新上,将技术创新视为决定公司生死存亡的生命线,面对日益激烈的市场竞争,拥有企业自主的核心技术、打造自主品牌成为企业生死存亡的决定因素。

  一航黎明作为航空发动机企业,主要产品有航空发动机、系列燃气轮机、航空转包件等。公司拥有航空发动机装配试车技术、机匣精密数控加工技术、冷辊轧无余量叶片加工技术、特种工艺焊接技术、热喷涂表面处理技术等多项核心技术专长。面对如此繁多复杂的工作点,公司确立了技术创新的三个层面:一是面向世界,博采众长,高起点进行技术改造,保持工艺装备的领先;二是面向市场,不断开发、研制出高技术含量、高附加值的新产品,保证产品具有高的质量、低的成本;三是面向未来,抢占航空制造技术的制高点,进行自主创新,以超前研究为先导,保证航空制造技术的先进性。

  改变是技术创新的核心。一航黎明在过去50多年的技术发展历程中,有很多优良技术的沉淀和积累。通过汲取知识宝库中的精华,分析其发展规律,以此来确定技术发展方向。

  跨越是技术创新的“支点”。目前,虽然一航黎明具有三代航空发动机的研制和修理能力,但为了快速提升自身的技术创新水平,公司正大力开展四代机前沿技术研究。

  集成是技术创新的重要方法。近几年,一航黎明对外通过加强北京、上海、大连和俄罗斯等技术分中心的建设,建立院士工作站、博士后工作站;与一航材料院组建“国防科技工业精密铸造技术研究应用中心”;公司自主与北航联合成立“黎明—北航共建试验基地表面工程中心”;参与“国防科技工业自动化焊接技术研究应用中心”,构建了优势互补、资源共享的技术研究与发展的创新体系,进行了合理的强强重组,形成研发强势。目前,公司技术创新体系分别形成超前研究层、产品设计和工艺制定层、现场指导服务层三级层次体系,不断加强产品改进、改型设计能力和对市场需求的加快反应能力。

  一航黎明进一步强化发动机制造工艺技术基础,增强发动机改进改型、延寿、可靠性增长的能力,着力提升整体水平,建立完善的产品研发、工艺试验、快速反应一体的技术创新体系。

  一航黎明为完善技术创新体系与机制建设,搭建了四个平台,形成技术创新的合力。

  搭建技术产出平台。
以技术中心为主体的技术产出平台,开展前沿技术的预研和技术提升工作。

  搭建专业COE平台。将产品、工艺、工装设计部分专业人员调入生产线,充实生产作业单元COE,形成基于专业发展和零件典型特征的专业化生产单元技术应用体系。

  搭建快速反应平台。第一步整合资源,通过创造性地再造工作流程、管理机制,实现工装及部分机件的快速反应。第二步以重点型号、国家工程应用中心技改为依托,建成与快速反应配套的基础科研试验设施。

  搭建技术创新平台。突破整体叶盘制造、粉末冶金盘加工、宽弦风扇叶片制造、单晶无余量叶片精铸、新型封严结构件制造、复合材料构件加工、新热障涂层涂敷等关键技术。

  “太行”发动机的研制成功标志我国已进入世界航空强国之列,是改革开放为航空发动机事业指明了前进的方向,是自力更生和自主创新的航空报国理念结出的丰硕成果,是激情进取精神奏出的时代强音,是几十万航空儿女为祖国母亲献上的一束鲜花。

  “昆仑”和“太行”两大新型发动机的研制成功,凝聚了中国航空工业及其全国各方面的力量,他们的贡献如昆仑巍峨,太行苍茫,必将鼓舞航空人奋勇向前。

  
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