记二零一七年国家技能发明二等奖拿到者陶智及其组织,中国中国民用航空公司工业涡轮院疑似并吞涡扇15引擎叶片难关

为了航空强劲“中国心”

  中国战斗机新一代大推力发动机的研制工作目前正在进行中,近日《中国航空报》的一篇文宣文章提到,位于成都的中航工业涡轮研究院攻克了该型发动机涡轮叶片研制的难关。文章中提到该型发动机“涡轮叶片还要承受超过其金属融化温度700度的高温”、“高温是涡轮部件面对的第一道坎,工作环境温度动辄就是一、两千度”。虽是只言片语,已经足以推测文章中说的是全新一代的高性能军用发动机,很可能就是传闻已久的涡扇-15型发动机。

——记2017年国家技术发明二等奖获得者陶智及其团队

  以下为《中国航空报》文章部分内容:

记者 余敏

  涡轮部件,是航空发动机的三大高压部件之一。常见的民用发动机的一个工作叶片发出的功率,就相当于一台F1方程式赛车或3台家用轿车的动力输出。同时,涡轮叶片还要承受超过其金属融化温度700度的高温、大约1000千克的离心拉伸应力。“高温”与“压力”是涡轮工作真实的写照。

一杯很烫的热咖啡,拿冰做的勺子去快速搅拌,如何保证勺子丝毫不被融化?可以说,这是一个对航空发动机高温旋转部件冷却技术所解决问题的最初浅比喻。

  中航工业涡轮院涡轮技术研究室专业工作就是航空发动机预研项目、在研型号中涡轮部件的气动和结构技术研究和设计……

目前比较先进的航空发动机,涡轮前燃气温度为1800K到2000K。而目前工程型号上涡轮叶片单晶材料能承受的温度在1370K左右。这中间相差的几百K,怎么办?靠的就是冷却技术。当然,这个冷却与让搅拌咖啡的勺子不被融化的难度远不是一个量级。

  高温是涡轮部件面对的第一道坎,工作环境温度动辄就是一、两千度;涡轮叶片从最早的没有冷却结构的实心叶片,到今天要在一个小小叶片上打成百上千个冷气通道孔的先进超强冷却叶片,其设计和制造难度可见一斑。

1月8日,国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重举行。来自北航的“航空发动机高温旋转部件冷却技术”荣获2017年国家技术发明二等奖。此项目的第一完成人正是北航能源与动力工程学院教授、长江学者特聘教授陶智。3年前,他作为第一完成人的项目“军用涡扇推进系统新理论和新方法”同样获得国家技术发明二等奖。

  这是涡轮设计质的飞跃,但同时带给涡轮设计团队的是一个个诸如叶片烧蚀、叶片断裂、叶片掉块等技术难关。肩负着自主研制国产新一代航空发动机的历史使命,他们深深地知道“既然干涡轮,就得多受累”。涡轮部件不能可靠工作,发动机寿命就无从谈起,因为高温,涡轮设计必须兼顾冷却和性能的平衡,发展和使用最先进的工艺及材料,在兼顾性能、可靠性、制造性多因素下进行设计。他们针对高温带来的故障问题进行系统地试验研究:叶片试验、涡轮盘试验、振动试验……在设计—故障—改进的轮回中接受考验,在气动、传热、结构、强度、材料、工艺、试验等专业环节中千锤百炼。难题一个个踩在脚下,“高温”的锤炼,也炼就了他们的技术基础。一次次的磨炼,积累了设计经验,提高了他们解决和应对各种实践问题的能力。

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  如今,院里的涡轮设计技术和这支团队一步步走向成熟:成功开发国内第一个涡轮气动设计系统;国内首个采用复合倾斜叶片的高压涡轮部件等;荣获国家级科技成果奖、部级成果奖10余项,院级成果40多项。

  观察者网军事分析员指出,在文章中提到的”涡轮叶片要承受超过其金属融化温度700度的高温”一句话令人惊讶,目前制造涡轮叶片的材料一般是镍铬铁合金,这种材料根据合金配方的不同,熔点有一定浮动,约为950摄氏度上下。也就是说,这种新型发动机的涡轮前温度高达1650摄氏度左右,换算成开氏度就是就是约1925开左右。涡轮前温度是发动机先进程度的一个重要指标。据资料,美国F-22战斗机的F119发动机的涡轮前温度约1970开,推力达15.6吨。据俄联合发动机公司资料称,俄罗斯AL-31F发动机的涡前温度则是1665开,推力12.5吨;99M1发动机涡前温度1690开,推力13.5吨。可见涡前温度与发动机推力数据有很大关系。

  从目前已知的数据来看,只有涡扇-15发动机能够接近这个数字。据公开数据,国产涡扇-10发动机的涡前温度约为1747开,推力传闻比AL-31F略高,可能是12.7吨。这一消息与此前其他文宣文章提到的“涡扇-15的涡轮前温度比前代型号提高200开”的说法相互佐证。

  根据经验公式,在发动机涡轮和风扇设计水平相同的前提下,涡前温度每提高100开,推力增加15%。那么可以推测,涡扇-15即使在风扇和涡轮设计与涡扇-10处于同一水平的前提下,推力也可达到15.7吨以上。

  据传,涡扇-15发动机目前已经进行整机台架测试,研制进展相当顺利。《中国航空报》文章从侧面证实了这一传言。

  12月4日,俄罗斯联合发动机公司总裁在讲话中透露,俄罗斯自行研制的新一代航空发动机“30型”发动机的核心机目前正在组装阶段,据推测这种发动机的性能可能与涡扇-15相似。

  不过,涡扇-15目前还是由中航工业成都涡轮研究院负责研制,未来在从研制阶段转入生产阶段时可能还要遇到更多问题,对于此型发动机装机飞行时间,恐怕还不能轻率做出估计。

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