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航空发动机的那些事

添加时间:2019-01-25

摘要:1 航空发动机的世界格局详解 当我们还为航空在中国科技界的地位而奋争时,世界已悄然形成了一个远比飞机行业更严苛、更高度垄断、更严密技术封锁的全球航空发动机格局。 美英法

  
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  航空发动机的世界格局详解
  当我们还为航空在中国科技界的地位而奋争时,世界已悄然形成了一个远比飞机行业更严苛、更高度垄断、更严密技术封锁的全球航空发动机格局。
  美英法德日等西方国家通过其寡头企业,垄断了世界航空发动机和燃气轮机(本文暂不涉及燃气轮机)市场。美英法寡头企业,包括其合资公司,占领了世界航空发动机市场的70%,而在新机市场上的价值份额更高达90%。
  全世界能造飞机的公司十数家,而独立的航空发动机供应商只有几家。
  美、俄两国的航空发动机底蕴深厚,但俄罗斯这只“老虎”一打盹,就被西方远远甩在身后,尤其在民用航空发动机方面,俄罗斯在世界市场几无份额。
  世界大型民用航空发动机
  美国通用电气(GE)
  美国普拉特·惠特尼(PW)
  英国的罗尔斯·罗伊斯(RR)
  以及这三家公司同法国赛峰集团(Safran)相互间合资成立的:
  斯奈克玛国际CFMI(Safran/GE)
  IAE(RR/PW)
  EA(GE/PW)
  这些企业具有独立研制航空发动机整机的能力,几乎控制了全球大型民用航空发动机的核心技术研发、总装集成、销售及客户服务等全产业链。
  军用和小型航发领域
  法国斯奈克玛(Snecma)
  美国霍尼韦尔(Honeywell)
  德国MTU
  意大利Avio
  俄罗斯土星
  俄罗斯礼炮公司
  它们具有较完整的生产能力,除了各自领域的整机研发与市场能力外,还是为顶级企业提供大部件和核心机部件的一级供应商。
  再下一级的供应商
  日本三菱重工
  日本川崎重工
  日本石川岛播磨重工
  韩国三星科技公司
  以日韩企业为代表的供应商拥有强大的零部件加工制造能力,主要为上一级企业提供发动机零部件产品。
  西方国家为长期保持在航发领域的领先和优势地位,在政府和企业层面,采取了许多措施。在研发投入、项目投资、产业链控制、知识产权保护、技术输出控制等方面,构筑了极高的产业门槛,封堵其他国家和企业的发展与追赶,更不要说后来居上。
  这就是航空发动机的世界格局。面对这样一个格局,我们只能从民族大义、国家利益出发,担起艰难的历史使命。
  如同在大型民机领域,不管多难,我们也要像变现在的A(Airbus)+B(Boeing)两霸并立为A+B+C(Comac)三极鼎立的新格局那样,在航发领域,我们也要加入世界航空发动机“强人俱乐部”,让世界的东方形成一极,从而逐步改变航空发动机世界格局,尽管这个进程将十分漫长。
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  未来20年中国航空发动机的市场预测
  中国航空发动机的市场有多大,是各方人士关心的一个问题。
  笔者搜集和比较了各有关机构的预测,分析综合后,列出以下数据。
  未来20年军用发动机需求预测
  综合“产研智库”和“中商产业研究院”发布的两份预测报告,进行必要修正后,未来20年中国军用航空发动机总需求量22000台(其中出口军机需要量1000台),价值600亿美元(约4000亿RMB)。年平均1100台,价值200亿RMB。按价值计,新军机装备、老军机维护和直升机各占80%、5%和15%。
  新战斗机发动机单价按高低型别均价计算。新机装备比按1.15、换发次数按1计算。部分数据作归整处理。军机发动机原则上应全部使用国产产品,或至少占比90%以上。
  F-16
  F-16战斗机的F100涡轮发动机
  F-35
  F-35的F-135发动机
  F-22
  F-22的F-119发动机
  歼-10
  歼-10的AL-31发动机
  歼-15
  歼-15的AL-31H发动机特写
  歼-31
  歼-31的RD-93发动机
  歼-20
  歼-20使用的某型号发动机特写
  未来20年中国客/货机用发动机需求预测
  基于空客和波音两公司对未来20年中国新增客/货机数的预测,分别为5363架/8300亿美元和6330架/9500亿美元。取均值后,按发动机占飞机价值的30%计,未来20年民用航空发动机市场为2580亿美元,发动机整机约5700台。考虑到国产民用发动机处于成长期,力争分享20~30%份额,即1100~1700台,约值500~770亿美元。
  A380客机
  安装在A380原型机上的遄达900
  波音787客机
  安装在波音787上的瑞达1000
  那么问题来了,军民用加起来3000多亿美元的市场份额到底会花落谁家呢?新成立的中国航发集团能占到多少市场份额?
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  航空发动机难在哪里?
  航空发动机到底难在哪儿?为什么世界上只有极少的国家能够制造?
  国人对这些问题十分关切,对材料制造之难关切尤甚。但这是一个多层面的问题,必须全面认识,综合施治。仁者见仁,智者见智,我对这个问题的认识,凝聚在下图6句话72字中。
  极高技术要求和可靠性要求
  发动机涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同,甚至技术要求还更高。航空发动机所需的主要科学基础是支持其高温、高速、旋转和长寿等工作特点的科学学科,如工程热力学、气体动力学、燃烧学、传热学和现代控制理论等。而其所需技术几乎覆盖材料、制造、试验等所有现代技术门类,特别是高温材料和热工艺。
  航空发动机的工作过程极为复杂。以燃气涡轮发动机的核心机(由压气机、燃烧室、涡轮组成)为例。压气机将进入发动机的空气逐级增压,增压比可达25以上;压气机叶片的气动、强度和几何形状十分复杂,承受极高的由离心力产生的载荷。燃烧室是保证增压后空气与燃油充分混合,并稳定燃烧的特殊结构,需精心设计,有效冷却和选择耐高温材料、涂层等综合措施。涡轮的作用是将气流的能量转换为机械能,为了获得更大功率,要求涡轮进口处燃气温度尽量高;先进发动机的涡轮前温度已达1850~1950K,大大超过涡轮叶片材料本身能承受的温度,需探索使用耐更高温度的材料,并采用新的冷却技术。
  发动机装载在航空器上,处于严酷的使用环境下,需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下,稳定可靠地工作。在飞行中决不可能停机维修,因而可靠性要求极高,目前每百万飞行小时的空中停车率只允许2~5次。若以单台发动机计量,相当于使用90~200年停车一次。目前,民用航空发动机的首翻期(机上平均寿命)已达2万小时,相当于一天24小时连续飞行2年以上;按正常的每天使用6小时计算,一台发动机可连续使用9年以上不拆下翻修。如此之高的可靠性要求,是其他任何工业产品不可比拟的。
  对国家基础工业的高度关联
  航空发动机如此之难,涉及众多技术领域,离不开国家基础工业的支撑。没有强大基础工业能力的国家,绝不可能进入航空发动机领域。当年专家学者向中央建言时,曾指出:航空对国家冶金、橡胶、石化、轻工、电子、机械等基础工业部门的带动作用日渐显著。其中,冶金、电子、机械等对航空发动机尤其高度关联。
  以发动机的热部件为例,它们强烈依赖如定向凝固高温合金、单晶、金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等先进特殊材料。而由于目前基础工业提供的支撑还不够,直接导致发动机的性能及可靠性等关键指标达不到设计要求,或者无法完成稳定生产。
  遵循独立和超前的发展规律
  离开装载平台,航空发动机没有独立的实用价值。但这决不意味着,航空发动机的研制必须依附于特定的航空器型号。由于发动机的难度高于平台,研制周期长于平台,在以先进航空器的需求来牵引发展的同时,更要遵循自身技术的发展规律,提前谋划,超前发展。
  在过去很长一个历史时期,我国航空发动机的研发紧紧依附于飞机型号,即要研制一款飞机,才会去研发配套发动机;飞机如果下马,发动机随之下马。这类实例,举不胜举;发动机少有走完研制过程、积累完整工程数据的型号,这方面的教训十分深刻。
  航空发动机的研发周期一般比飞机机体长5年以上,且新型发动机研发所需时间不断延长。早期,每隔5~10年出现一代新发动机,而从F100到F119(F22配装发动机)竟相隔30年。20世纪70年代的实践表明,新一代发动机从部件研究到投入使用需要8~14年时间。F119从1973年概念研究到1999年产品定型,则经历了26年,如以F-22在2005年入役计算,则长达32年。
  F100发动机
  F119发动机
  F22战机
  国家资源的强力支持与保障
  在《美国国家关键技术计划》说明文件中,把航空发动机描绘成“一个技术精深得使一个新手难以进入的领域,它需要国家充分保护并稳定利用该领域的成果,长期的专门技能和数据积累,以及国家大量的投资”。航空发动机产业是资金密集的高投入和高产出行业。据统计,在航空研发总投入中,航空发动机占比约1/4。统计数据表明,研制一台大中型发动机,大致需要15~30亿美元。美国一直通过国家长期、稳定的大力支持和投入,实施多项超前于具体型号的纯粹技术研究性的中长期研究计划和短期专项研究计划,为发动机研制提供充足的技术储备,以降低工程研制的技术风险,缩短研制周期。
  对试验和高性能设施的依赖
  航空界有“航空发动机是试出来的”一说,揭示了航空发动机研发的一大特点,即,对试验和试验设施的高度依赖。由于技术难度大,航空发动机的研制是研究-设计-试验-修改设计-再试验的反复迭代过程。研制一台新型发动机,一般需要10万小时的零部件试验、4万小时的附件试验和1万小时的整机试验。航空发动机是设计、制造的产物,更是试验工程的产物。
  航空发动机的试验是一个体系,含性能试验、通用性试验、耐久性试验、环境试验和飞行试验,每一个类别的试验又包括若干试验项目。而每一个试验的背后,一定是高性能的各类试验手段与设施。
  在试验过程中和试验后,还需要对巨量工程数据进行采集,并分析整理,需要不间断地持续积累,当然还需要重用与共享。而我知道,在这方面,我们的问题多多,差距很大。
  高水平研发队伍和制造能力
  为了成功研发航空发动机,必须有一支高水平的研发队伍。和国外航发主要企业相比,我们的队伍在整体上还嫌力量单薄。中国航发对外公布集团从业人员9.6万,但据我所知,全部一线科研人员不足一万。而世界航发四大巨头GE、RR、PW、赛峰的雇员人数分别达到39000、40400、35870和60300人,虽总人数低于中国航发集团,但科研人员的数量应与我们比较接近。而由于我们历史上形成的局面,整个队伍尚不能专注于航发的开发、研制和批产。
  为促进我国航发自主创新,还需要理顺发动机厂所的业务关系,实现产业重组,建立厂所利益共同体。要比任何时候更加重视新技术、特别是对未来有可能产生重大影响的前沿、颠覆性技术的研究,而科技管理人员的科学素养,科技人员从事开创性研究工作的能力,决定了我们的未来。
  航发的研发成效最终要体现在优质、稳定、成本可控地制造出发动机产品,为此必须有配套的先进制造能力。航空发动机的制造涉及材料、结构、焊接等众多难度极高的工业技术,需大量使用定向凝固、粉末冶金、复杂空心叶片精铸、复杂陶瓷型芯制造、钛合金锻造、微孔加工、涂层与特种焊接等先进制造技术。在新的数字化技术的推动下,还需要变革流程,实施协同、并行和集成,大范围地应用数字化工艺设计、数控加工技术、虚拟制造技术、智能控制技术、企业资源数据管理技术,以及基于模型的系统工程等。
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  中国的航空发动机到底行不行?
  有多少家底?症结在哪?
  近年来,中国的航空事业可以说呈现井喷发展之势,每年各型新飞机以超过大众想象的速度展现在人们的面前,但是,一个不可回避的问题也常常被业内外人士提出:现在中国的航空发动机到底怎么样?最新型的战斗机是否用的是我们国产的发动机?
  中国航空发动机有值得珍视的“家底”
  我国航空发动机事业创建于抗美援朝时期,历经维护修理、测绘仿制、改进改型、自主研制等发展阶段,从无到有、由小到大。如果从开始整机研制的1956年算起,至今恰好62年。回顾往昔,在极为困难的情况下,不仅为航空武器装备发展和国民经济建设做出了重要贡献,也为航空发动机事业的进一步发展奠定了技术与产业基础。这是不争的事实,有值得我们高度珍视的“家底”。
  1基本建成航空发动机研制生产体系
  以发动机设计研究院所和主机生产企业为核心,建成了包括一批专业化配套生产企业和科研所在内的航空发动机研制生产体系。迄今,我国以航空发动机为主业的企事业单位共26家,其中设计研究所4家,主机生产企业6家。年销售收入大约300亿元,军用航空发动机和民用航空发动机之比大致7:3,其中军用航空发动机的制造与维修比例5:1,民用航空发动机维修与零部件转包比例接近1:1。中国航空发动机集团公司(AECC)成立时,对外公布的集团从业人员9.6万,总资产1100亿元。
  2基本具备研制生产所有种类航空发动机的能力
  迄今,我国研制生产和提供各类航空发动机约6.7万台,年产量大约1100台,包括涡扇、涡喷、涡桨、涡轴和活塞式发动机等(见注释)。国产航空发动机数量占现役军用配套总数的90%以上,基本满足了国产歼击机、强击机、轰炸机、运输机、教练机和直升机等航空装备的需求。近年来,一批新的高性能发动机开始研制,有的已经获得突破,如“太行”系列大推力、推重比8一级涡扇发动机,并有了一定的量产能力。
  注释:关于中国航空发动机的产能似乎一直未作正式发布。笔者从2009年的中国航空博物馆空军装备展上获得了一组公开数据(截止时间应为2008年),在对未列品种和产量数据进行补正后,笔者估算:从1956年至2008年的52年间,五类航空发动机总产量约57000台。按年平均数外推10年,即从1956年到2018年的62年间,我国航空发动机的总产量不低于67000台。该数据应基本可信。

文章标题:航空发动机的那些事

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