航空发动机号称工业明珠,研制难度不是一点半点。就连航空发动机强国美国、俄罗斯都无法轻易研制出一款航空发动机。美国F100、俄罗斯的Al31两款第三代航空发动机定型装备部队后,都曾出现过飞机大面积趴窝问题。从立项研制开始到装备部队,基本上都要20年以上,而且需要大量砸钱!仅F100当年的研制费用就超过14亿美元,相当于今天的70亿美元,换算成人民币接近500亿元!
实际上,航空发动机运行原理很简单:通过多级叶片层层增压然后在燃烧室喷油点火,提升燃气能量,冲击高低压涡轮带动前面的叶片转动。说起来简单,但是做起来很难。
主要原因是航空发动机叶片运行环境太复杂而且恶劣。主要体现在这几方面:1、发动机运转的时候,涡轮转速达到每分钟几转需要承受巨大的离心力。
2、最后两级或者三级高低压涡轮不仅要承受巨大的离心力,还要承受强大的气流冲击,而且还需要承受能熔化钢铁的温度。最先进的航空发动机涡前温度已经达到1700℃。3、航空轴承不仅要求十分精密,而且还要承受超高转速,巨大压力,这对轴承的耐磨性提出了很高的要求。
正因为航空发动机工作环境太恶劣了。绝大多数材料在那种环境下别说转动,能保持不熔化就不错了。但先进发动机不仅要求推力大,还要求重量够轻、可靠、易维护、使用寿命够长等等要求。为了研制出满足各种苛刻要求的先进发动机,科学家多管齐下。
第一、先进的发动机总体设计。
通过各种先进设计,改善叶片散热、隔热性能、提升增压效率、减轻叶片重量也、提升燃烧室燃烧稳定性、优化轴承设计等等。比如在已经很薄的叶片上设计气流通道以便散热;设计气流回路产生气膜,阻隔高温和烧蚀。比如用设计增压比更高的叶片。这背后需要大量的基础试验,才能找到各种优异的设计,十分考验一个国家的基础科学。
第二、研制各种性能优越的材料。
航空发动机不同部位对材料的性能要求也不同。比如前几排增压涡轮则要求叶片增压比越高越好、重量越轻越好,不需要承受高温。中间增压涡轮则要求逐级提升耐高温能力。而燃烧室后面的涡轮曾要求能承受超过熔化钢铁的温度。因此不同级数涡轮对材料的需求也不同。目前对材料要求最高的就是燃烧室最后面几级涡轮。为了耐受尽可能高的温度还能保持尽可能高的应力承受能力,目前的先进发动机都采用单晶叶片,外加隔热涂层。
第三、研制各种先进材料制造工艺。
以前我国的航空发动机寿命甚至只有300小时的寿命,最为对比,美国80年代的航空发动机寿命就达到3000小时!一台就相当于我国10台发动机!为何美国的发动机那么耐用呢?主要是美国研制了各种先进制造工艺。比如热等压工艺、高温粉末冶金、精密铸造工艺等等。
第四、砸钱大量试验、在使用中不断改进。
美国的第四代航空发动机F119,仅试车时间就达到1万小时!而美国的第三代航空发动机F100刚装上F15战斗机的时候故障率很高,一度造成大批战斗机"趴窝"。但美国依然坚持使用,在使用中发现问题并解决问题,通过不断迭代改进,最终研制出性能先进的航空发动机。俄罗斯也同样是这样走过来的。
因此,航空发动机不仅是设计出来的,而且是试验出来的,用出来的。
我国的涡扇10同样是这么过来的,2005年刚刚设计定型后不久曾发生过空中喷零件的事故,后来经过不断改进到2012年以后终于逐步稳定了。
2015年8月18日,装备涡扇10发动机的歼11B在南海上空上演"横滚"动作,说明涡扇10已经堪用了。2018年珠海航展,单发战斗机歼10C装备涡扇10改进型发动机表演特技动作,表明涡扇10发动机终于从太不行到不太行走到很行的状态。如今,如果谁还敢说涡扇10发动机不行,说明他已经落伍了!事实已经证明涡扇10行了!