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浅谈国内外航空发动机和航空发动机材料发展
08032223符卫平
（南昌航空大学）
发展航空工业，极为重要的一条，就是优先发展航空发动机工业。航空发动机是飞机的“心脏”，它的技术性能和结构关系飞机的战术技术性能、可靠性和经济性。各种类型的航空发动机都要在高温、高压、高转速、高负荷的苛刻条件下长时间地反复工作(此点与一次性的导弹发动机有所不同)，同时还要求它重量轻、体积小、使用安全可靠、经济性好。同时提出的多种性能要求和极端的工作条件，迫使各种型号的航空发动机必须设计精巧，加工精密，使用高性能的材料和成品附件。发动机综合了多学科和多种专业技术成果，技术难度大，研制周期长，耗资多。它当之无愧地代表了一个国家的工业和科技最高水平。环顾世界，也只有美、前苏联、英、法等少数工业发达国家，才能独立地研制和发展先进的航空发动机。国外大型飞机发动机发展现状和趋势（1）CFM公司志在必得。
CFM公司占据150座级飞机发动机市场的最大份额，CFM56是B737的唯一动力和A320一半以上的动力，已交付使用的数量超过15600台，目前月交付量为50台左右。为继续保持其技术领先地位，CFM公司在1998-2004年实施了TECH56计划，主要研究金属材料空心风扇叶片、压比15的6级高压压气机、双环腔预旋流燃烧室（TAPS）、锯齿型喷管、低成本控制系统等，并从2007年开始将这些技术逐步用于生产型的CFM56-5B/7B发动机，大大提高了发动机的性能。
此外，公司还于2004年底开始实施LEAP56计划，针对A320/B737换代机，主要研究轻质复合材料风扇叶片、压比更高的6级高压压气机、第2代TAPS、发动机诊断技术、轻重量齿轮箱和下一代控制技术等。LEAP56计划主要节点包括：2007年进行部件试验，2009-2010年进行全尺寸发动机试验，2012-2013年投入使用。（2）普惠公司誓夺失地。
20世纪七八十年代，普惠公司的JT8D发动机曾创下了产量近12000台的世界纪录，一度占有75%的市场份额，但由于战略决策失误，如今几乎被CFM56挤出民机发动机市场。针对A320/B737的后继机的动力，公司目前与MTU（德）、Avio（意）和Volvo（瑞典）合作，重点发展齿轮传动涡扇发动机（GTF），推力量级为105～180kN，计划占据A320/B737后继机的所有动力市场。具体分工为MTU公司负责高压压气机（8级压气机、压比17），Avio负责风扇齿轮传动系统，Volvo负责复合材料风扇框架，并与NASA合作发展先进的Talon X低污染燃烧室。
普惠公司的GTF发动机发展计划是：2007年第3季度进行地面试验验证，2008年与波音合作进行飞行验证，2008年底将正式启动该发动机的研制，2012年投入使用。
（3）罗·罗公司异军突起。
与普惠的迫不及待相比，罗·罗公司在A320/B737后继机项目上的反应似乎平缓许多，但它绝不是一支可以低估的力量。在技术发展上，公司分别制定了5年、10年和20年的发展规划，目前每年在技术研究上的投资都超过6亿英镑。在业务发展上，该公司通过收购美国艾利逊公司和宝马·罗罗等公司，强化了公司的核心竞争力。公司的Trent和RB211系列发动机已在176kN以上推力的大型宽体飞机发动机市场上占据领先地位。
目前，罗·罗公司还在对A320/B737后继机发动机的几种方案进行讨论，并计划发展热效率较高的三转子发动机。由此可见，罗·罗公司的异军突起终会给150座级的高性能大涵道比涡扇发动机的市场竞争增添色彩。2 俄罗斯干线客机发动机的发展情况
俄罗斯（前苏联）已发展了多种民机用涡扇发动机，包括大涵道比涡扇发动机，如PS-90A（伊尔96/图204）、NK-93（伊尔96/图204）、D-436（图334）等，装备于图154/204/334、雅克40/
42、伊尔62/76/86/96等旅客机。1962年前苏联的索洛维也夫设计局（现俄罗斯彼尔姆）研制出俄罗斯第一种用于旅客机（图124）的D-20P涡扇发动机，比英国罗·罗“康维”发动机（快帆）只晚了2年。但由于受到西方适航条例的限制，以及政治经济等非技术因素的影响，在与西方同类产品的市场竞争中处于下风。
对于未来民机动力市场，俄罗斯联邦政府制定了《2002-2010年间和2015年前俄罗斯民用航空技术发展》规划，俄罗斯航空航天局实施了《研制新一代民用干线客机涡扇发动机所需的技术储备建立计划》。计划实现的目标包括：针对130～170座新一代中短程干线客机用推力68～117kN级的大涵道比涡扇发动机，并可发展到68～196kN级；2010年前，研制出性能指标高于PW6000、PW8000和SaM146，并不落后于GE公司TECH56计划的新一代民机动力核心机和验证机；瞄准2030-2040年前的新一代民机发动机国际市场；由CIAM组织，联合国立民用航空发动机研究所、彼尔姆和全俄航空材料研究院等单位。
我国飞机发动机发展
中国航空发动机的老师是前苏联。从技术角度讲，苏联的发动机在一些方面不如美国。它们通常体积较大，制造较粗糙，使用寿命较短，耗油率较高。中国仿制的航空发动机一些性能指标还低于前苏联。歼击机发动机修大修周期(即一个安全使用期限)通常为100～200小时，而美国等西方国家发动机使用周期一般大于4000小时。如果能把使用周期延长一倍，那么一架飞机就变成了两架飞机。事实上，70年代初，中国援助巴基斯坦的歼6飞机发动机，经美英专家重新组装调试后，使用周期已经延长了一倍。说明我们在这方面有很大潜力可挖。
涡轮喷气发动机以及后来的涡轮风扇发动机使用了大量高比强度材料和耐高温合金，加工困难。喷嘴精度高，叶片型面复杂，燃烧系统和加力燃烧系统等薄壁焊接零件多。工厂必须有高水平的精密机械加工基础，还要有较高的热处理、表面处理技术。同时，工厂还需要建立少切削或无切削的精密铸造、精密锻造生产线以及滚焊、对焊、直流电弧焊、氢原子焊、高频钎焊、真空电子束焊、自动氩弧焊等各种焊接方式的焊接生产线，还要建立高温合金熔炼、高温陶瓷喷涂车间以及制造发动机试车台等复杂非标准设备。
装配歼6飞机的涡喷6航空发动机由2521种零组件装配而成。苏联只提供技术资料，完全由中方试制。尽管有生产涡喷5发动机的经验，前后用了4年，克服重重困难，到1961年10月才通过了全寿命(即100小时)试车考核。前后用了7年，发动机和飞机一起通过了试飞考核。(1963年)
60年代后期和整个70年代，中国已经生产了大量的涡喷6发动机，质量一直不太稳定。同时发动机场所又集中力量解决延长它的翻修寿命(指从投入使用到第一次翻修或两次翻修期间的小时数)。经过反复试验研究，采取了41项技术改进措施，好不容易通过试车考核，1965年底批准第一次翻修寿命延长到200小时。然而好景不长，由于对原设计的薄弱环节没有细致分析，仅3年时间，涡喷6的涡轮盘和火焰筒在使用中就出现重大事故，迫使把使用寿命又缩回到100小时。也许这就是苏方设计的限度。一台昂贵的航空发动机，仅仅使用100小时，它已经大量装备了部队，因此制造单位和空军都甚感紧张，后来美国人称之为“一次性发动机”。1970年，沈阳航空发动机厂又组织力量为涡喷6延寿。攻关重点放在高速的涡轮盘和高温的火焰筒上。工厂采用微调齿距等4项措施，消除了涡轮盘的榫齿裂纹。成都发动机厂改进了火焰筒，沈阳厂全面研究后，彻底抛弃了苏方原设计，采用全气膜保护火焰筒方案，解决了火焰筒热裂纹问题。还使用了浮动式隔热屏等20项技改，在1973年全部用于批生产之中，终于保证了200小时的成果。而程度发动机厂由于研究火焰筒获得进展，使之达到了500余小时的连续试车。1078年，中国的火焰筒技术已经接近世界先进水平。正因为这种重大进步，赢得了西方航空界的尊重。1983年，世界最著名的美国普拉特.惠特尼发动机公司与成都发动机长签订了合作生产美国JT—8D发动机(用于波音737和MD80飞机系列)火焰筒系列产品合同，1985年，成都厂已经能批量生产先进的火焰筒了。
解决火焰筒问题的同时，涡轮大轴在使用中时有断裂事故，原因在于原设计强度储备不足。由此引申出美苏航空设计规范的差别。苏联设计战斗机，其前提是真实的战争，统计表明，大量飞机在实战中并未飞到100小时就战损或因其他原因而报废。从战争成本出发，较廉价大批量的飞机是可取的。而以美国为首的西方国家，首先从商业竞争原则出发，飞机价格昂贵，使用时间短，就会在竞争投标中失去合同，整个公司的前途就会断送。因而必须提高质量，保证可靠性，才有竞争优势。整整用了10年，许多工程师和技术人员顽强地研究试验改进，涡喷6发动机的大轴才获得延长寿命。
配合歼7飞机的涡喷7以及配合歼8飞机的涡喷7甲发动机、配合轰6飞机的涡喷8航空发动机，其研制过程都是长长的，充满磨难的传奇色彩故事。涡喷7仿苏联米格21飞机的P—11—Ф—300发动机。它的推力比涡喷6大50～77%。该发动机设计水平较高，有高压、低压压气机两部分转子，高压转子轴套在低压转子轴上，工艺结构复杂。这种轴流式双转子发动机有6级压气机和两级涡轮，火焰筒采用气膜冷却，内外壁喷涂高温陶瓷。该机采用了许多新材料，压气机和涡轮叶片分别使用了不锈钢和耐高温合金。它的制造工艺远较涡喷6复杂。
由于在涡喷6上吃了苦头，试制涡喷7就谨慎认真多了。沈阳厂抽出三分之一的设计人员和工艺人员组队。各有关航空厂、所、中国科学院、冶金部、机械工业部、化工部所属有关单位进行了大力协作，研制成功了26项合金、涂层等新材料和10项航空轴承；试验成功46项新技术和新工艺。其中的两种高温合金，性能超过了原发动机的合金材料。由于大轴套小轴，轴深孔精加工成了关键，中国工人和技术人员借鉴炮厂经验，改装专用设备，也给解决了。采用电解加工新工艺，代替了原来叶片的切削加工，精度和强度反而提高了。沈阳厂仅用了两年时间，全部使用国产材料，就试制成功复杂先进的涡喷7发动机。同时，我方纠正了苏方资料中高达1097页的错误。在实际飞行中，涡喷7的原设计也存在着一些缺陷，共出现过八类大事故。
此时，涡喷7已经转到贵州航空发动机厂生产。沈阳厂和贵州厂的设计员们借鉴改进涡喷6的经验，果断更改了苏联设计，将第一级压气机的叶片数由31片减为24片，减小离心力并加强了叶片。经过试车和试飞，均证明加强后的叶片性能好，结构简化后变得可靠稳定，有效地消除了失速颤振和裂纹事故。贵州厂改进了调频安装方法，并对叶片表面进行喷丸强化处理，提高了涡轮盘的平衡性和叶片强度。发动机超负荷工作是中介轴承由高温引起的抱死问题，也由贵州厂通过加大润滑油嘴直径而解决；涡轮盘在高温下不规则伸长问题，则经过贵州厂和齐齐哈尔钢厂联合冶炼出GH33A高温合金最后解决了。到1979年时，贵州厂后来居上，在偏僻的苗岭山区，克服各种不便，改进了25项苏方设计缺陷，大大提高了涡喷7性能和稳定性。由于中国式的渐进改造屡获成功，仿苏的原型涡喷7于1980年停产，被中国化的改进不的涡喷7乙发动机取代
干客用大涵道比涡扇发动机干客用大涵道比涡扇发动机的主要要求 首先，以民用中近程干线客机为应用对象，大涵道比涡扇发动机要达到同类发动机的先进水平，具有市场竞争力，并形成产业。
其次，突破关键技术，提高自主研发能力。通过预先研究和国际合作，完成部件、系统、核心机和验证机的设计、加工和试验，突破民用大涵道比涡扇发动机关键技术，基本具备自主研发能力。在验证机的基础上，根据市场和飞机需求，研制出拥有自主知识产权和市场竞争力的大涵道比民用涡扇发动机，满足我国干线客机发展对动力的需求。
研制发动机的指导思想：强化基础、提高能力；当代水平，形成产业；自主研发，国际合作；军民结合协调发展。主要技术指标：起飞推力满足双发150座级干线客机要求；巡航耗油率比现役同类发动机下降6%～8%；寿命、可靠性、可维护性等综合性能水平优于现役CFM56发动机比现役同类发动机性能提高10%以上；噪声、有害物排放水平满足当时的适航条例和环保要求。干客用大涵道比涡扇发动机的发展计划
（1）发展目标。·突破大涵道比涡扇发动机关键技术。·完成部件、系统、核心机和验证机的设计、加工和试验，基本具备自主研发能力。·完成型号研制和适航取证。
·在验证机试验的基础上，根据市场和飞机需求，研制出具有自主知识产权和市场竞争力的大涵道比民用涡扇发动机，满足我国干线客机发展对动力的需求。·培养一支高水平的航空动力科技和管理队伍。
（2）发展步骤。
·第一阶段：关键技术攻关和验证机研制。包括：发动机总体方案和部件设计、加工和试验；总体方案设计；部件和系统设计；部件和系统加工制造；部件和系统试验；核心机和验证机的工程设计、加工和试验验证；核心机和整机工程图设计；核心机和整机加工制造；整机试验验证。
·第二阶段：原型机研制和适航取证。完成我国干线客机发动机原型机的研制，取得适航证。
（3）发展途径。·自主创新，提升能力，“技术研究”和“产品开发”并重。·走核心机系列派生发展的道路，首先针对目前干客动力的需求，发展相应推力等级的发动机；考虑将来干客发动机的推力需求，总体方案应留有发展的潜力。·充分利用现有的设计体系和验证平台，充分利用多年积累的研制经验，军民结合，协调发展。
·开展国际合作，走“自主研发”与“国际合作”相结合的发展道路。
我国大型飞机发动机的主要关键技术分析 1 设计关键技术
（1）大涵道比发动机总体方案设计技术（含飞发一体化和经济性分析）；
（2）民用发动机适航技术；
（3）大涵道比风扇/增压级设我国大型飞机发动机的主要关键技术分析计技术；
（4）高效高级压比压气机设计技术；
（5）低排放、长寿命燃烧室设计技术；
（6）高性能长寿命高、低压涡轮设计技术；
（7）发动机短舱及反推力装置设计技术；
（8）核心机设计技术；
（9）验证机设计技术；（10)整机/部件综合数值仿真技术；
(11)大涵道比涡扇发动机数控系统设计技术；(12)低噪声设计技术；
(13)长寿命、高可靠性和可维护性设计技术；(14)轴承和传动润滑系统设计技术；(15)故障诊断和监控技术；(16)涡轮间隙主动控制技术；
(17)辅助动力装置（APU）设计技术。2 材料工艺技术
(1)大型风扇宽弦空心叶片（钛合金或复合材料）制造技术；
（2)大型钛合金中介机匣铸造、焊接和制造技术；
(3)钛合金整体叶盘/叶环制造及修复技术；
(4)复合材料包容环制造技术；
(5)风扇盘圆弧型榫槽加工技术；
(6)三维弯扭多联组合涡轮导向叶片精铸技术；
(7)定向凝固带冠大展弦比低压涡轮叶片精铸技术；
(8)风扇转子和发动机本机平衡技术；
(9)风扇机匣涂层本机加工技术；
(10)耐600℃高温钛合金材料工程化与制造工艺；(11)镍基高温合金整体叶盘低成本制造技术；(12)低成本燃烧室机匣整体铸造技术；(13)火焰筒浮动壁材料与制造技术；
(14)高压涡轮动叶及导叶用涂层及其涂覆工艺；
(15)耐1100℃单晶涡轮叶片低成本材料、铸造以及打孔工艺；(16)耐1100℃涡轮导叶低成本材料、铸造以及打孔工艺；(17)轮盘粉末冶金的制粉、锻造工艺以及缺陷检测。试验测试技术
（1）整机试验与调试技术；
（2）发动机反推力试车技术；
（3）发动机吞鸟试验技术；
（4）发动机吞水、吞冰、吞砂试验技术；
（5）发动机侧风、逆风试验技术
（6）发动机噪声场测量技术；
（7）风扇叶片包容试验技术；
（8）部件、整机寿命和可靠性试验技术。
航空发动机材料发展
随着飞机的航程和飞机速度的提高，对飞机的推力、推重比的要求也越来越大，从而导致了发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速也都大大提高。目前，就航空发动机的材料而言，金属材料的使用温度已接近其极限，不可能满足下世纪航空发动机的设计要求。因此，发动机的设计师已开始转变传统的选材观念，不再以金属材料作为设计的基础，而是转向或接近新材料。从目前国外应用现状及发展前景来看，下个世纪航空发动机的材料将以非金属材料为主体。非金属这个技术概念范围很广泛，我们所说的发动机用非金属材料主要是指复合材料。
陶瓷基复合材料
说到陶瓷，人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前，如果把它用于工程领域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到现在说到陶瓷复合材料，也可能还会有些人不清楚，认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料，但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后，才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化，这就是陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料，特别是在航空发动机制造应用中，越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻，硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具有很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。
目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了较大进展，有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。据专家估计，到2000年陶瓷材料将占高性能涡轮发动机重量的30％。
金属间化合物
高性能、高推重比航空发动机的研制，促进了金属间化合物的开发与应用。如今金属间化合物已经发展成为多种多样的族，它们一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力，它具有高的使用温度以及比强度、导热率，尤其是在高温状态下，还具有很好的抗氧化，搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料，它填补了这两种材料之间的空档，因而成为航空发动机高温部件的理想材料之一。
目前在航空发动机结构中，致力于研究开发的主要是以钛铝（TiAl、）和镍铝（）等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同，但却有更高的使用温度。例如和 TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。
金属间化合物原子间的结合力强，晶体结构复杂，造成了它的变形困难，在室温下显现出硬而脆的特点。目前经过多年的试验研究，一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功，并已装机使用，效果很好。例如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物，验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。
碳/碳复合材料
C/C基复合材料是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。到目前为止，只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，是美国21世纪重点发展的耐高温材料，世界先进工业国家竭力追求的最高目标。
C/C基复合材料，即碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而有所提高。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。C/C基复合材料在航空发动机上应用的主要问题是抗氧化性能较差，近几年美国通过采取一系列的工艺措施，使这一问题不断得到解决，逐步应用在新型发动机上。例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。
总结：
航空发动机作为飞机的核心部件是航空发展必不可缺的一部分，而我国发动机的发展远落后于欧美等发达国家，但随着国家对发动机发展的重视，在发动机的投入逐渐增加让我国发动机水平与发达国家的距离逐步缩短，如我国自行生产的昆仑太行发动机为我国以后发动机的发展打下了坚定的基石。
六十年来，航空大业成就了无数的航空人才，无数的航空俊杰造就了不断成长壮大的中国航空工业。新时代的中国航空工业坚持培养人、塑造人、提升人相结合，大力加强管理人才、技术人才、技能人才三支队伍建设，特别是高度重视创新团队和科技领军人才的培养，通过高水平、高强度的科研生产锻炼，培养了一支素质精良、德才兼备、勇于奉献、善于攻关的优秀队伍。通过国际科研、研发项目合作和送国外学习培训等形式，大力培养和凝聚具有全球视野与世界一流水平的科技人才，我们相信，中国一航人将更进一步同心同德，激情进取，在铸航空利剑、扬中华国威的伟大事业中再立新功，为我国航空工业早日自立于世界航空强者之林做出新的贡献。
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