一文看懂全球航空發(fā)動機(jī)格局

當(dāng)我們還為航空在中國科技界的地位而奮爭時，世界已悄然形成了一個遠(yuǎn)比飛機(jī)行業(yè)更嚴(yán)苛、更高度壟斷、更嚴(yán)密技術(shù)封鎖的全球航空發(fā)動機(jī)格局。

美英法德日等西方國家通過其寡頭企業(yè)，壟斷了世界航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)（本文暫不涉及燃?xì)廨啓C(jī)）市場。美英法寡頭企業(yè)，包括其合資公司，占領(lǐng)了世界航空發(fā)動機(jī)市場的70%，而在新機(jī)市場上的價值份額更高達(dá)90%。 全世界能造飛機(jī)的公司十?dāng)?shù)家，而獨(dú)立的航空發(fā)動機(jī)供應(yīng)商只有幾家。 美、俄兩國的航空發(fā)動機(jī)底蘊(yùn)深厚，但俄羅斯這只“老虎”一打盹，就被西方遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后，尤其在民用航空發(fā)動機(jī)方面，俄羅斯在世界市場幾無份額。 ?

以日韓企業(yè)為代表的供應(yīng)商擁有強(qiáng)大的零部件加工制造能力，主要為上一級企業(yè)提供發(fā)動機(jī)零部件產(chǎn)品。 ? 西方國家為長期保持在航發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)先和優(yōu)勢地位，在政府和企業(yè)層面，采取了許多措施。在研發(fā)投入、項(xiàng)目投資、產(chǎn)業(yè)鏈控制、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、技術(shù)輸出控制等方面，構(gòu)筑了極高的產(chǎn)業(yè)門檻，封堵其他國家和企業(yè)的發(fā)展與追趕，更不要說后來居上。 ? 這就是航空發(fā)動機(jī)的世界格局。面對這樣一個格局，我們只能從民族大義、國家利益出發(fā)，擔(dān)起艱難的歷史使命。 ? 如同在大型民機(jī)領(lǐng)域，不管多難，我們也要像變現(xiàn)在的A（Airbus）＋B（Boeing）兩霸并立為A＋B＋C（Comac）三極鼎立的新格局那樣，在航發(fā)領(lǐng)域，我們也要加入世界航空發(fā)動機(jī)“強(qiáng)人俱樂部”，讓世界的東方形成一極，從而逐步改變航空發(fā)動機(jī)世界格局，盡管這個進(jìn)程將十分漫長。 ?

未來20年軍用發(fā)動機(jī)需求預(yù)測

綜合“產(chǎn)研智庫”和“中商產(chǎn)業(yè)研究院”發(fā)布的兩份預(yù)測報告，進(jìn)行必要修正后，未來20年中國軍用航空發(fā)動機(jī)總需求量22000臺（其中出口軍機(jī)需要量1000臺），價值600億美元（約4000億RMB）。年平均1100臺，價值200億RMB。按價值計，新軍機(jī)裝備、老軍機(jī)維護(hù)和直升機(jī)各占80%、5%和15%。 ?

新戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)單價按高低型別均價計算。新機(jī)裝備比按1.15、換發(fā)次數(shù)按1計算。部分?jǐn)?shù)據(jù)作歸整處理。軍機(jī)發(fā)動機(jī)原則上應(yīng)全部使用國產(chǎn)產(chǎn)品，或至少占比90%以上。

? ? ? 未來20年中國客/貨機(jī)用發(fā)動機(jī)需求預(yù)測

基于空客和波音兩公司對未來20年中國新增客/貨機(jī)數(shù)的預(yù)測，分別為5363架/8300億美元和6330架/9500億美元。取均值后，按發(fā)動機(jī)占飛機(jī)價值的30%計，未來20年民用航空發(fā)動機(jī)市場為2580億美元，發(fā)動機(jī)整機(jī)約5700臺。考慮到國產(chǎn)民用發(fā)動機(jī)處于成長期，力爭分享20～30%份額，即1100～1700臺，約值500～770億美元。 ? ?

飛機(jī)誕生百年有余，從飛行36米到環(huán)球飛行，人類航空技術(shù)不斷前進(jìn)，而動力的不斷進(jìn)化才使更多飛行方式成為可能，那么飛機(jī)的發(fā)動機(jī)有多少種呢？今天我們來簡單粗暴的列舉一下，爭取讓你秒懂。 ? ? ?

首先，得到大量應(yīng)用的航空發(fā)動機(jī)簡單分類只有兩種，即“活塞式發(fā)動機(jī)”和“燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)”，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)也常被簡單稱為“噴氣發(fā)動機(jī)”。 ?

活塞式發(fā)動機(jī)系列 活塞式航空發(fā)動機(jī)與現(xiàn)在常見的汽車發(fā)動機(jī)原理一致，依靠燃?xì)庠跉飧變?nèi)爆燃，推動活塞做工，所有活塞式發(fā)動機(jī)都依靠此原理?；钊桨l(fā)動機(jī)根據(jù)不同的氣缸排列形式分為以下幾種。 ?

星型活塞式發(fā)動機(jī) 早期飛機(jī)多采用氣冷方式給發(fā)動機(jī)降溫，說白了就是直接給氣缸吹風(fēng)，星形布置的氣缸正好可以使每個氣缸均勻散熱。 ?

星型發(fā)動機(jī)示意圖 ?

星型發(fā)動機(jī)及螺旋槳 ? 星形發(fā)動機(jī)自1903年就被使用在飛機(jī)上。 ? 星形發(fā)動機(jī)有一個缺陷，就是氣缸越多，功率越大，直徑就越大，因此飛機(jī)只能越粗……這意味著阻力變大。于是后來出現(xiàn)了直列式發(fā)動機(jī)和V型發(fā)動機(jī)。 ? ? 這是個大功率星型發(fā)動機(jī)的例子。嗯，非常非常

直列發(fā)動機(jī)原理示意圖 ?

直列式發(fā)動機(jī)

直列式發(fā)動機(jī)與今天的汽車發(fā)動機(jī)基本一致，氣缸站成一排，縱向安裝在機(jī)頭時，明顯比星形發(fā)動機(jī)纖細(xì)不少。但直列式也有缺點(diǎn)，氣缸越多，發(fā)動機(jī)越長，如果想和星形一樣使用7缸，9缸，那長度簡直不可理喻。于是緊湊的V型發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了，讓氣缸站成兩排。 ? ? ?

V型發(fā)動機(jī) ? ?

于是V形發(fā)動機(jī)在長度增加不多的情況下，氣缸數(shù)可以成倍增加。 ?

水平對置發(fā)動機(jī)

把V型的夾角變成180度，還可以做成水平對置發(fā)動機(jī)。 ? ? ? 水平對置發(fā)動機(jī)氣缸排列，水平對置發(fā)動機(jī)具有扭力大震動小的特點(diǎn)，現(xiàn)金很多活塞式發(fā)動機(jī)的固定翼飛機(jī)和直升機(jī)在使用這種形式的發(fā)動機(jī)。 ? ? ? ?

西銳SR20飛機(jī)和羅賓遜R22直升機(jī)是常見的空中游覽機(jī)型，均使用水平對置活塞發(fā)動機(jī)，經(jīng)濟(jì)可靠。 ?

噴氣式發(fā)動機(jī)系列 渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)

渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)是使用燃?xì)獗寂蛎浐?，直接向后噴出做功的一種發(fā)動機(jī)。 ?

渦輪噴氣發(fā)動機(jī)示意圖，渦輪噴氣發(fā)動機(jī)簡稱渦噴發(fā)動機(jī)，其歷史也很悠久。 ? 1937年，世界上第一個渦輪噴氣發(fā)動機(jī)就開始運(yùn)行了。渦噴發(fā)動機(jī)啟動時需要先將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到可運(yùn)行轉(zhuǎn)速，渦噴發(fā)動機(jī)由前部壓氣機(jī)進(jìn)行空氣壓縮，壓縮空氣在燃燒室與然后回合點(diǎn)燃，燃?xì)庀蚝髧姵龅耐瑫r推動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪靠轉(zhuǎn)軸與前部的壓氣機(jī)連接，周而復(fù)始即可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

渦噴發(fā)動機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài) ? ? ? ?

渦噴發(fā)動機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)

很容易就能發(fā)現(xiàn)，渦扇發(fā)動機(jī)和渦噴發(fā)動機(jī)兩者之間的區(qū)別。渦噴只有一個空氣通道，專業(yè)上叫做“涵道”，而渦扇發(fā)動機(jī)卻有兩個空氣通道。也就是說，渦噴發(fā)動機(jī)是單涵道發(fā)動機(jī)，而渦扇是雙涵道發(fā)動機(jī)。 ?

? 渦扇發(fā)動機(jī)分為內(nèi)涵道和外涵道，內(nèi)涵道原理與單純的渦噴發(fā)動機(jī)無異，稱為核心機(jī)。核心機(jī)驅(qū)動前方一個大風(fēng)扇，推動氣流向后，再加上外部整流罩行程外涵道。 ?

? 發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時，外涵道與內(nèi)涵道空氣流量的比值叫做涵道比。規(guī)律是，涵道比越大越省油，經(jīng)濟(jì)性越好，高涵道比的發(fā)動機(jī)在亞音速時有非常好的能效，所以它廣泛地運(yùn)用于客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等。 ? ?

? 高涵道比的發(fā)動機(jī)，主要推力不是來自于向后噴出的高溫燃?xì)猓莵碜杂谕夂栏咚傧蚝髧姵龅目諝?? 現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)也大多采用渦扇發(fā)動機(jī)，只是，為了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的發(fā)動機(jī)。 ?

渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)

渦槳發(fā)動機(jī)工作原理示意圖 ? 渦輪螺旋槳噴氣發(fā)動機(jī)，簡稱渦槳發(fā)動機(jī)。 渦槳發(fā)動機(jī)的本質(zhì)類似于渦噴發(fā)動機(jī)接上一個減速器，并帶動外部的螺旋槳。 渦槳發(fā)動機(jī)通常用在小型或低速的亞音速飛機(jī)上。 ? ?

同軸反轉(zhuǎn)螺旋槳示意圖 ? 戰(zhàn)斗民族的戰(zhàn)略轟炸機(jī)圖-95使用渦槳動力，雙層對轉(zhuǎn)螺旋槳，把渦扇發(fā)動機(jī)飛機(jī)的速度推到了925公里的高亞音速，是個比較極端的例子，也是目前噪音最大的轟炸機(jī)。大多數(shù)渦槳發(fā)動機(jī)飛機(jī)速度在800公里以下。 ?

槳扇發(fā)動機(jī)

渦槳發(fā)動機(jī)的燃油效率通常高于渦扇發(fā)動機(jī)，但它也不是盡善盡美，原因之一是，渦槳發(fā)動機(jī)上多了一個減速器，也就是變速齒輪。 ? 變速齒輪的存在一是增加了發(fā)動機(jī)重量，二是多少會帶來一些功率上的損耗。 ? 為此，一種不需要變速齒輪的發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它就是槳扇發(fā)動機(jī)。也可以把槳扇發(fā)動機(jī)理解為沒有外涵道的渦扇發(fā)動機(jī)。 ? ? ?

槳扇發(fā)動機(jī)加雙螺旋槳對轉(zhuǎn)就變成這個樣子，由于槳扇發(fā)動機(jī)的螺旋槳與發(fā)動機(jī)同速，因此槳扇的螺旋槳轉(zhuǎn)速比渦槳發(fā)動機(jī)高得多，帶來更大動力，更高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時，也因?yàn)檗D(zhuǎn)速的大幅增長槳扇發(fā)動機(jī)的噪音也十分可怕，一般不會用在需要舒適安靜的客機(jī)上，目前基本上只有軍用運(yùn)輸機(jī)在使用。 ? ?

? 槳扇發(fā)動機(jī)的螺旋槳直接裝在發(fā)動機(jī)中心的主軸上。因此螺旋槳轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相同，噪音也十分巨大。 ?

槳扇發(fā)動機(jī)也有螺旋槳在后邊的。 ? ? ?

渦輪軸發(fā)動機(jī)

渦輪軸發(fā)動機(jī)顧名思義就是使用軸來傳輸動力。這種發(fā)動機(jī)一般適用于并不需要直接提供空氣推力的航空器，比如直升機(jī)。 ?

? 直升機(jī)的傳動原理其實(shí)非常復(fù)雜，但這個簡單的原理圖更容易理解渦輪軸發(fā)動機(jī)的使用方式。 ? 直升機(jī)的渦輪軸發(fā)動機(jī)就是將發(fā)動機(jī)的功率，通過傳動? 軸輸送給主旋翼，再由主旋翼轉(zhuǎn)動提供升力，因此這與一般活塞式發(fā)動機(jī)的輸出類似，有很多坦克和軍艦也使用渦輪軸發(fā)動機(jī)，比起一般的柴油機(jī)和汽油機(jī)，渦輪軸發(fā)動機(jī)重量更輕而功率更大，是非常不錯的動力源。 ? ? ?

沖壓發(fā)動機(jī)

（a）渦噴發(fā)動機(jī)（b）沖壓發(fā)動機(jī)，可以看到?jīng)_壓發(fā)動機(jī)省去了一系列的壓氣機(jī)和渦輪結(jié)構(gòu)，變得更加輕巧，但只有高速下可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 ? 沖壓發(fā)動機(jī)從工作原理來說和渦噴發(fā)動機(jī)的一樣的，但實(shí)際上由于省去了所有渦輪結(jié)構(gòu)，沖壓發(fā)動機(jī)又不能歸入燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的范疇。 ? 沖壓發(fā)動機(jī)去掉了前部的一連串壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)。因?yàn)?，飛行器飛得越快，迎面而來的空氣就越快，當(dāng)達(dá)到高超音速時，空氣自然被壓入進(jìn)氣道，并形成高氣壓。高壓空氣進(jìn)入燃燒室，混入燃油，劇烈燃燒并向后高速噴出以得到動力，與渦噴發(fā)動機(jī)原理無異。需要說明的是：沖壓發(fā)動機(jī)只有在非常高的速度下才可以運(yùn)行。 ? ?

? 目前成功使用的例子是美國的超高音速偵察機(jī)SR-71“黑鳥”，黑鳥可以達(dá)到3倍音速，在3倍音速的狀態(tài)下，它的發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)，改變?yōu)闆_壓發(fā)動機(jī)模式運(yùn)行。 ?

現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠 ? ?

航空發(fā)動機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”, 是國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。提高航空發(fā)動機(jī)的性能就必須提升其關(guān)鍵部件——渦輪葉片的性能。渦輪葉片由于處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件，并被譽(yù)為“皇冠上的明珠”。渦輪葉片也稱動葉片，是渦輪發(fā)動機(jī)中工作條件最惡劣的部件，又是最重要的轉(zhuǎn)動部件。 ? 先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度達(dá)1380℃，推力達(dá)226KN。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉片部分承受拉應(yīng)力大約140MPa；葉根部分承受平均應(yīng)力為280~560MPa，相應(yīng)的葉身承受溫度為650~980℃，葉根部分約為760℃。未來發(fā)動機(jī)葉片的鑄造工藝直接決定了發(fā)動機(jī)的性能 ,也是一個國家航空工業(yè)水平的顯著標(biāo)志。? ? ? ?

除了高溫條件,熱端葉片的工作環(huán)境還處在高壓、高負(fù)荷、高震動、高腐蝕的極端狀態(tài), 因而要求葉片具有極高的綜合性能,這就需要葉片采用特殊的合金材料(高溫合金)，利用特殊的制造工藝(精密鑄造加定向凝固)制成特殊的基體組織(單晶組織), 才能最大可能地滿足需要。復(fù)雜單晶空心渦輪葉片已經(jīng)成為當(dāng)前高推重比發(fā)動機(jī)的核心技術(shù),正是先進(jìn)單晶合金材料的研究使用和雙層壁超氣冷單晶葉片制造技術(shù)的出現(xiàn), 使單晶制備技術(shù)在當(dāng)今最先進(jìn)的軍用和商用航空發(fā)動機(jī)發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前, 單晶葉片不僅早已安裝在所有先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)上，也越來也多地用在了重型燃?xì)廨啓C(jī)上。

渦輪葉片制造技術(shù)

渦輪葉片的發(fā)展經(jīng)歷了細(xì)晶強(qiáng)化、定向凝固和鑄造單晶三個階段。 ? 半個多世紀(jì)以來，渦輪葉片的承溫能力從上世紀(jì) 40 年代的 750℃提高到了 90 年代的 1500℃左右再到目前的2000℃左右。而鎳基高溫合金單晶葉片與定向凝固葉片相比可提高工作溫度 25℃~50℃，而每提高 25℃從工作效率的角度來說就相當(dāng)于提高葉片工作壽命 3 倍之多。應(yīng)該說，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設(shè)計和加工以及表面涂層各方面共同發(fā)展所做出的共同貢獻(xiàn)。 ? ? ?

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度大大提升，F(xiàn)119 發(fā)動機(jī)渦輪前溫度高達(dá) 1900~2050K，傳統(tǒng)工藝鑄造的渦輪葉片根本無法承受如此高的溫度，甚至?xí)蝗刍?，無法有效地工作。單晶渦輪葉片成功解決了推重比 10 一級發(fā)動機(jī)渦輪葉片耐高溫的問題，單晶渦輪葉片優(yōu)異的耐高溫性能主要取決于整個葉片只有一個晶體，從而消除了等軸晶和定向結(jié)晶葉片多晶體結(jié)構(gòu)造成晶界間在高溫性能方面的缺陷。 ?

單晶葉片的凝固缺陷

單晶渦輪葉片是目前航空發(fā)動機(jī)所有零件中制造工序最多、周期最長、合格率最低、國外封鎖和壟斷最為嚴(yán)格的發(fā)動機(jī)零件。制造單晶渦輪葉片的工序包括壓芯、修芯、型芯燒結(jié)、型芯檢驗(yàn)、型芯與外型模具的匹配、蠟?zāi)鹤?、蠟?zāi) 光檢驗(yàn)、蠟?zāi)１诤?a target="_blank">檢測、蠟?zāi)Ｐ拚⑾災(zāi)＝M合、引晶系統(tǒng)系統(tǒng)及澆冒口組合、涂料撤砂、殼型干燥、殼型脫蠟、殼型焙燒、葉片澆注、單晶凝固、清殼吹砂、初檢、熒光檢查、脫芯、打磨、弦寬測量、葉片X 光檢查、X 光底片檢查、型面檢查、精修葉片、葉片壁厚檢測、終檢等制造環(huán)節(jié)。除此之外，還必須完成渦輪葉片精鑄模具設(shè)計和制造工作。 ?

? 渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)需要中空的渦輪葉片，只有高質(zhì)量的陶瓷芯是失蠟法鑄造的最好內(nèi)芯材料，它能夠在澆鑄金屬時依然能夠保持穩(wěn)定，在鑄件冷卻后有能通過化學(xué)工藝輕易溶解，在葉片中留下所需要的空氣通道。 ? ?

整個渦輪葉片生產(chǎn)工藝非常繁復(fù)，完全超越了珠寶制造工業(yè)，而這僅僅是“工業(yè)皇冠上的鉆石”——航空發(fā)動機(jī)制造的一小部分。

審核編輯：黃飛

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