航空发动机的最新发展以及复合材料的应用

航空发动机的最新发展以及复合材料的应用北京航空航天大学摘要：本文介绍航空发动机最新发展，以及关键的复合材料在其中应用关键词：航空发动机、发展、复合材料引语:美国“战略之页”网站5月21日文章，两年前，中国宣布用国产引擎WS-10A，替换歼-10战机上装配的俄制AL-31FN。但去年，中国又悄悄订购几百台俄制AL-31FN，没人提大规模使用WS-10A的事了。中国航空工业在过去的十年里取得了突飞猛进，但作为核心技术的航空发动机仍然不能摆脱对外依赖，完全自主的水平一、严苛的材料要求配备在战术战机和攻击机之上的喷气发动机，必须能够在严峻的条件下运行。例如，在飞行过程中，喷气发动机的压缩机叶片要能承受高达自身重量20000倍的离心力。人们常常用“冰质调羹勺搅热汤”来形容涡轮叶片在这种环境下面临的挑战。航空发动机以其复杂性、深奥的技术以及苛刻的性能参数，堪称航空发展中的顶峰。据约翰逊称，在战机发展过程中，发动机核心就相当于“撑开帐篷的长杆”，是一个项目之所以会拖延的最大原因。航空发动机的材料通常无法按照工业分类指导方法“加工”，因为以工业规模这样做是不经济实惠的。必须全部掌握合金、粉末冶金、单晶叶片技术。有一个值得注意的例子是，在五家前苏联大型研究机构中，就有一家致力于材料研究，苏联冶金研究非常活跃。在俄罗斯的发动机项目中，掌握热障涂层技术是关键一步。然而，尽管做出了这些努力，但在发动机性能方面，俄罗斯仍然没有可媲美发动机“三巨头”——即罗尔斯·罗伊斯、GE和普惠——的企业。俄制发动机仍然相对较重，而且利用的也并非最顶级材料，燃油消耗率也相对较高；与美制和欧制顶级喷气发动机相比，俄制发动机加速度较差，推力重量比较低，寿命较短，可维护性较差。另外，俄罗斯仍然无法利用最新管理技术获得最佳优势。例如，虽然如“土星”公司的AL-31发动机等新型俄制发动机已经配备了全权数控系统，而且全权数控系统的质量较非俄制产品相差不大，但软件质量仍然是一个关键的区别。即便是首批苏-27战机也加装了不同的发动机，因为AL-31发动机当时尚未到位。作为航空发动机三大巨头之一的罗罗公司，于1971年开始研制特有的三转子RB211型发动机。正是由于复合材料风扇技术没有过关，着急上马的RB211发动机项目研制周期拖延过长，最终导致罗罗的财力无法支持，不得不由英国政府出面收归国有。二、航空发动机的设计—“材料先行”英国Rolls一Royce公司认为，传统的航空发动机材料已几乎达到了它的使用极限，需要发展新型的涡轮发动机材料，据该公司预测，在未来的航空发动机上使用的金属基复合材料将有大幅度上升的趋势(见图)。从图可以看出,作为高温结构材料的超合金是具有耐高温、高强韧、抗氧化、可加工性和良好导热性的材料,具有较全面的综合性能。但随发动机涡轮进口温度的不断提高,超合金由于熔点的限制,最高使用温度已不能满足需要。与超合金相比,金属间化合物与陶瓷可以在更高的温度下工作。图还显示,金属间化合物虽然最高耐温性低于陶瓷,但其韧性、可加工性与导热性远优于陶瓷材料,总体来看,有可能比陶瓷更早地用于发动机承动载荷的关健部件。各类陶瓷材料及各类金属间化合物及其复合材料之间的对比。各类陶瓷材料六个基本性能的比较亦显示各具特色。硅基材料虽然韧性与导热性较低,其Tmax与抗氧化能力都是上佳的,是值得关注的材料系统。各类金属及金属间化合物基系统的相互对比,显示了各自的长处及不足.此图虽仅粗略地描述了各材料系的性能特征,其方向性的参考价值还是值得重视的。三、中国发展现状近年来随着冶金和制造技术的发展，中国在航空领域已经取得了一些进步，系统设计、集成和管理已经成为制约发动机生产的最大薄弱环节。在地面测试和高离心和G力飞行中，中国发动机面临着叶片弯曲、破坏及其他问题。为了攻克这个难关，中国的军用喷气发动机制造商需要实现一些生产和流程管理突破，而这些突破与前几年中国在机身与航空电子领域获得的突破一般无二。为了推动这种努力，中国航空工业集团公司旗下发动机公司聘请了经验丰富的发动机设计人员。鉴于在该领域其他方面的进展，而且中国还在继续通过研发和工业间谍活动，获得技术和流程管理知识，中国有可能在未来几年内研制出一款可规模化的可靠型WS-10发动机。WS-10发动机有潜力提供堪比惠普公司F100涡扇发动机的性能——F100发动机为F-15和部分F-16战机提供动力。因此，这种发动机或许能够为与F-15战机尺寸相似的歼-11B、歼-15和歼-16战机提供动力。中国至少会在2至5年时间内系列化生产足以为歼-20提供真正五代机性能的强大发动机。《简氏防务周刊》12月5日报道称，“辽宁”号航母上完成起飞降落的两架歼-15配备俄制AL-31F涡轮风扇发动机。配备了国产WS-10A涡轮风扇发动机的歼-15战机还无法完成舰载起飞降落任务。在参加本届珠海航展时，俄罗斯战略与技术分析中心专家瓦西里·卡申也表示，虽然中国在机身设计和航空生产技术领域有了巨大提升，但中国军事航空工业仍依赖俄罗斯和乌克兰发动机。高性能航空发动机正是中国航空工业制造商必须要攻克的最后一道难关。四、美国代表的世界最高水平据美国《航宇日报》11月2日报道，美国通用电气和普惠公司获得了价值超过6.8亿美元的演示验证变循环战斗机发动机合同。美国空军希望这两家公司继续完善“自适应发动机技术开发”项目，通过大幅度提高发动机的燃烧效率、大幅度增加发动机推力和飞机航程，生产出第六代作战飞机所需的发动机。正当人们惊叹第四代、第五代飞机及其发动机的卓越性能时，美国第六代发动机即将面世。，2020后可升级洛克希德-马丁公司的F-35和用于未来的第6代作战飞机。ADVENT是要证实高压比核心机和自适应风扇、可变涵道、低压系统技术能减少作战飞机发动机的单位耗油率(SFC)达25%，为了2020年后发动机尽早进入到工程和制造发展(EMD)阶段，AETD将使发动机充分成熟，ADVENT和AETD正在为发动机发展和成熟的技术是一个“3气流”结构。除常规涡轮风扇发动机的高压核心机和低压涵道气流外还有一个第3气流，外部流路能够打开和关闭。起飞时，第3气流关闭减少涵道比和转移更多的空气流进入到核心机增加推力。巡航时，第3气流打开，增加涵道比减少燃料消耗。第3气流能够冷却用于发动机热端部件热管理的冷却空气、用作飞机系统热沉的燃料、加力燃烧室和喷口的壁板。这种构造还能够减少飞机的阻力。进气道是按起飞时最大空气流量状态设计，但在巡航时捕获的气流大于发动机的需要，便会造成溢流。第3气流便能够旁路额外的空气，减少溢流阻力，并且增加的流量能够用来填充飞机尾锥部，减少底部阻力。AFRL计算出自适应技术将会比F-35所用的F135发动机改善发动机的燃料效率25%，增加飞机的作战半径25-30%，留空时间增加30-40%。AFRL表示，发动机还能够有助于应对与像中国这样量级对手的潜在冲突引发的反介入和区域拒止挑战。通过增加超声速巡航半径50%和减少30-74%的空中加油机负担能够实现这一点。第六代发动机中，新材料的贡献率将达到50%以上。“材料先行”已成为航空发动机研制的客观规律，第六代发动机将采取新材料技术，综合运用单晶材料、热强钛合金、热强镍合金、耐火合金材料、特种合金材料、抗腐蚀保护层等大量新材料，使发动机的重量大大减轻，其推重比可达到15～20，而目前最先进飞机的推重比仅为10。五，先进复合材料—航空发动机的突破口传统材料的渐进提高,已不能满足发动机发展,它要求材料与工艺有革命性的变革,要求开辟新的材料体系。作为在更高温度下服役的结构材料。材料科学的发展为航空发动机提供的最有前途材料是复合材料。1.树脂基复合材料以减轻重量为主要目的时可选用树脂基复合材料。早在25年以前英国就在RB162型助推喷气发动机上应用了树脂基复合材料。用玻璃纤维增强的树脂基复合材料，其强度比铝合金大2倍，而密度比铝合金低25%。他们选用了这种复合材料制造发动机非高温部件以减轻重量，增大推重比，从而改善了IB型三叉戟的起飞性能。以增加刚度为主要目的时，可采用碳纤维增强树脂基复合材料。因为玻璃纤维增强树脂基复合材料的刚度(弹性模量E)低于铝合金‘RB211发动机就采用了碳纤维增强树脂基复合材料制造发动机机罩。这种材料还可用于发动机舱盖及罩等零件。据使用统计，用这种材料代替铝合金，可以减轻重量达25%。树脂基复合材料具有较高的强度和刚度，低的密度和良好的缺陷容限。可考虑在发动机压气机部分以及排气热回收系统的零件上采用。这种材料的缺点是在大气中易吸潮变形，不能抗高温，使用温度一般不超过280℃。2.金属基复合材料和树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有良好的韧性，不吸潮，能够耐比较高的温度。金属基复合材料的增强纤维有金属纤维，如不锈钢、钨、被、妮、镍铝金属间化合物等;陶瓷纤维，如氧化铝、氧化硅、碳、硼、碳化硅、硼化钦等。金属基复合材料的基体材料有铝、铝合金、镁、钦及钦合金、耐热合金、钻合金等。其中以铝铿合金、钦及铁合金为基的复合材料是目前主要选择对象。如以碳化硅纤维增强钦合金基体复合材料可用来制造压气机叶片。碳纤维或氧化铝纤维增强镁或镁合金基体复合材料可用来制造涡轮风扇叶片。又如镍铬铝铱纤维增强镍基合金基体复合材料可用来制造涡轮及压气机用的密封元件。其他如风扇机匣、转子、压气机盘等零件，国外都有采用金属基复合材料制造的实例。但是这种复合材料存在的最大问题之一是增强纤维和基体金属之间容易发生反应而产生脆性相，使材料性能变坏。尤其是在较高温度下长时使用，界面的反应更为突出。目前解决的办法是根据不同纤维、不同基体，在纤维表面加适当涂层，以及对基体金属进行合金化，以减缓界面的反应，保持复合材料性能的可靠性。3.陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料具有高的比强度、比模量，高的热稳定性，低的热膨胀系数，抗腐蚀，不吸潮等优点。瓷基复合材料用的增强剂有碳、硼、氧化铝、碳化硅、尼克龙纤维，或碳化硅晶须或颗粒等。陶瓷基体有氧化镁、氧化铝、碳化硅、氮化硅、莫来石等。这种材料可以用来制造燃烧室、涡轮叶片、导向叶片、排气喷管等零件。使用温度可达160。℃。高于此温，材料的强度及模量便显著下降。这种材料的缺点之一为缺少良好的增强纤维。目前，现有的增强纤维和基体间的相容性欠佳，很难达到既增强又增韧的最佳配合。缺点中最令人担心的是脆性，这种材料的缺陷容限低于其他复合材料。这使人们对这种材料使用的可靠性产生凝虑。4.碳/碳复合材料碳/碳复合材料(C/C)的最显著的优点是耐高温(大于2200℃)和低密度(约2g/cm3),可使发动机大幅度减重,以提高推重比,是本世纪最有前途的航空发动机材料之一。因此,成为陶瓷基复合材料当今研究热点之一。如能解决碳/碳复合材料表面以及界面间在中温时的氧化问题,[1,7]并能在制备时提高致密化速度,降低成本,则该材料有望在不远的将来在航空领域进入实用阶段。五、结束语在被称为“现代工业技术上的皇冠”的航空发动机上，我国在近些年来取得了令世界瞩目的成就。但作为一门极其复杂的系统工程，要达到国际先进水平，仍然有很多罗要走，仍需要不断地学习积累。复合材料作为其中亟待攻克的一门关键技术，它的发展也将与航空发动机的发展紧密相连。参考文献：[1]隆小庆·燃气涡轮发动机高温部件热腐蚀反应机理的探讨·中国民航学院学报1994[2]张良栋、隆小庆·航空发动机高温氧化腐蚀与保护·全面腐蚀控制2002年6月[3]吴大观·探讨我国航空发动机发展中出现的问题2000年9月[4]张恩和·对我国军用航空发动机发展的思考2003年8月[5]陈炳贻·航空发动机材料的发展·航空科学技术1998年2月[6]金培鹏·潜在的航空发动机材料—碳/碳复合材料·青海大学学报(自然科学版)2004年6月[7]杨峥乔、生儒·航空发动机材料的一现状几和发展·西北工业大学[8]傅恒志·未来航空发动机材料面临的挑战与发展趋向·航空材料学报1998年12月