走进中国心

商用航空发动机产业特点

日期:2015/9/25

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一、战略地

航空发动机被称为“人类工业皇冠上的明珠”和“工业之花”,作为高端制造业的顶端产业,其蕴含着巨大的政治、经济与安全战略意义。

政治方面,在尖端科技领域,目前世界上能够制造飞机的国家有26个,制造原子弹的国家超过10个,能够独立研制航空发动机的则只有美、英、法、俄和中国,具备完全的独立研制民用大涵道比涡扇发动机能力的则只有美国(通用电气、普惠)与英国(罗罗)两个国家。目前来看,极高的技术门槛决定了航空发动机技术是只有五大安理会常任理事国有能力“染指”的领域,从某种程度上说,这项技术就是“大国地位”的一种体现。欧盟曾在其报告中这样描述:“航空工业是一种政治工业,它的未来将承担政治和工业的双重责任。”

经济方面,目前全球航空发动机的军民用市场呈现由通用电气、罗罗、普惠等少数几家巨头公司联合垄断的局面。以美国为例,除了通过向其北约盟友及其他国家出售军火攫取巨额利润外,其通过成功的军民融合发展,也使其在民用航空发动机市场上占据支配地位,据资料显示,目前全球每年的航空发动机产业销售与服务收入约为500~600亿美元,其中仅通用电气公司的航空业务在2013年就获利数十亿美元。

安全方面,在现代战争中,空军已经成为新的“战争之王”,从新世纪以来爆发的几场局部战争来看,空军都扮演了主要打击力量的角色,争夺制空权已经成为决定现代战争成败的胜负手。此外,对于中国这样的大国来说,建设战略空军,增强战略投放与打击能力也是迫在眉睫。目前我国航空发动机发展的相对滞后,特别是涡扇发动机长期依赖于国外的局面对我国的国家战略安全形成了巨大的威胁。

正是由于航空发动机产业所蕴含的巨大政治、经济、安全战略意义,各大国始终将航空发动机产业发展摆在重要的战略位置上。为了稳固和提升本国在全球航空发动机产业中的战略性地位和主导性优势,各大国始终倾注巨大的人力、物力和财力。

美国通过国防部、能源部、航空航天局等政府机构持续投入巨资,制定中长期综合性技术研究计划,联合工业界开展技术研发。如由美国航空航天局(NASA)主导开展的高效节能发动机(E3)计划和美国国防部主导开展的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划,以国家主导、企业竞争(主要是通用电气与普惠两家)参与的方式保证了航空发动机技术的持续领先。

在七十年代,英国航空发动机企业罗罗公司曾因研发三转子的RB-211发动机投入过大而申请破产,英国政府直接出手将其收归国有,并在其发展过程中持续给予资金支持,在作为自由经济发源地的英国,这种情况是十分罕见的。虽然后来罗罗公司再次成为一家股权分散的私有化公司,但英国政府仍保留有一股“金股”,以确保在事关国家重大战略安全的决策事项上拥有一票否决权。

在前苏联解体后,虽然在很长一段时间内造成了俄罗斯军事工业的停滞不前,但进入新世纪后,随着政局逐步稳定与国力增强,俄政府再次将航空工业列为最优先发展的地位,通过制定适合国情的政策,加强政府控制,整合原有的研发资源,集中力量提升研制能力。

我国是世界上少数几个能够独立研制航空发动机的国家之一,也历来十分重视航空发动机技术的发展,但与航空发达国家相比还有较大差距。正是意识到航空发动机技术的重要战略性地位,国家已将航空发动机的发展上升为国家战略,随着航空发动机与燃气轮机重大专项的正式立项,我国航空发动机行业也将迎来前所未有的发展机遇。

二、技术特点

航空发动机虽然只是飞行器的一个分系统,但其所涉及的学科和技术领域几乎与整个飞行器相同,而且在许多技术上的要求甚至更高,可以说是集成了各个技术领域的尖端技术,是典型的知识、技术密集的高科技产品。其主要技术特点主要体现在以下几个方面:

技术要求高。特别是对大涵道比民用航空发动机来说,不仅要从经济利益出发通过不断降低耗油率来提高经济性,还要具备极高的安全性、耐久性、可靠性和维修性。进入21世纪后,随着航空业环保要求的不断提高,污染物和噪音排放也日益成为民用航空发动机研制中关键的技术指标。从某种意义上来说,日益严格的适航与环保要求也成为了欧美发达国家提高市场准入门槛的一种手段。

工作环境恶劣。航空发动机是功重比极高的动力装置,这样一个直径2米、长度3米多的长筒状物体,形象一点说,曾经有过壮汉用喉咙顶着钢枪推动汽车的表演,涡扇发动机的工作状态也大概如此。现代航空发动机的工作环境呈现“三高”。一是转速高,旋转部件转速可达10000~50000转,高速旋转的工作叶片将承受巨大的离心载荷;二是温度高,涡轮前温度可达1600摄氏度以上,而目前先进的转动部件材料仅能承受1100摄氏度左右温度,对叶片冷却技术提出了极高的要求;三是压力高,目前先进的民用发动机内部压力超过40个大气压,而实际上由于重量限制,航空发动机只能是一个薄壁的压力容器,其长期在高温、高压下工作的难度可想而知。

结构复杂。以CJ-1000A发动机为例,要塞进1级风扇、3级增压级、10级压气机、1级燃烧室、2级高压涡轮和7级低压涡轮,并且还要在其中穿插安装复杂的空气系统、润滑系统、燃油控制系统等,几万个零件“挤”在这么小的一个容器里,可谓“螺蛳壳里做道场”,要制造一台高性能同时还满足高可靠性、长寿命要求的航空发动机,难度可想而知。

多学科、多部件耦合。现代航空发动机设计技术涉及气动热力、材料、结构、燃烧、控制等多个学科,当前极高的技术指标对多学科件的协同设计提出了很高要求。航空发动机的另一个特点则是各部件间工作状态的强耦合,加之发动机的工作范围很宽、工况种类复杂,这为其整体的性能匹配带来了很大难度。因此,在部件试验台上的得到的结果并不能完全反映真实发动机工作时的状态,还必须在核心机与验证机上开展串装调试,所以以一台成熟的核心机为基础进行系列化发展是各国目前常用的产品发展模式。

正是由于现代航空发动机有着这样的技术特征,所以对研制能力提出了更高的要求,主要有以下三方面:

设计技术方面,为了满足更高的总体指标要求,就必须相应提高对各部件的指标要求,这对各部件的设计能力提出了更高的要求。目前普遍采用的有压气机/涡轮全三维气动设计技术、宽弦、弯掠叶片设计技术、贫油预混低排放燃烧室设计技术等,随着计算机运算能力的不断提升,数值仿真设计在研制过程中所发挥的作用越来越突出。

材料与制造技术方面,为了满足高温、高压、高转速等恶劣工况下的使用要求,并且尽量减轻重量,先进的航空发动机均采用了单晶叶片、粉末冶金以及陶瓷基、碳基、铝基等各类先进复合材料,还采用了空心风扇叶片、整体叶盘等先进制造技术。以单晶叶片为例,简而言之就是一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔(用于进气冷却),还要控制合金晶体生产连续一致,这对精密铸造工艺的要求极高;以风扇空心叶片为例,其加工方法是将钛合金毛坯用切削方法加工成两半叶片,用真空扩散焊成一整体空心叶身,过程中还要保证良好的叶片形面,工艺难度很大。由于航空发动机的大多数零件都十分“轻薄”,压气机后几级叶片几乎与“刀片”无异,使得这些零件对形位精度偏差的敏感度很高,并且其本身的粗糙度、光洁度要求也很高,这都为制造和检测过程带来很大的困难。  

试验测试技术方面,根据国内外成熟发动机的研制经验,从零组件、部件再到核心机、整机,一般一型发动机研制需要开展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,“发动机是试出来的”这一说法并不夸张。为满足测试要求,现代航空发动机对测试设施能力要求越来越高,种类越来越细,并应用了各种先进的试验测试技术,如遥测、进口降温技术等。对于民机来说,适航规章还对鸟撞等试验科目给出了硬性要求,国内在试验能力与技术方面也亟需补课。

三、产业特征

航空发动机作为重要的战略性产业,其具有研制周期长、经费投入多、附加值高、带动能力强等特点。

研制周期长,航空发动机研制和发展周期长是与其不断提升的技术要求与研制难度分不开的。虽然业界的技术能力在不断提升,但发动机从预先研究到投入使用的时间不断延长,以美国为例,在早期大概5-10年会出现一代新的发动机,而从第三代的F100到第四代的F119竟相隔30年,而F119发动机的整个研制过程也经历了26年之久。对于民用航空发动机来说,由于还要兼顾研制成本,往往更新换代过程会更长,即使是通用电气、罗罗等老牌企业,也曾多次出现研制进度拖期的情况。

经费投入多,航空发动机不止是一个技术密集型产业,还是一个资金密集型的高投入产出行业。据统计分析,目前一台大中型民用航空发动机的研制经费约为15-30亿美元,如全新研制的GE90发动机研制经费约为30亿美元,这还是建立在通用电气公司雄厚的技术基础这一前提上,而改型研制的Trent-800发动机研制经费约为15亿美元。根据估算,通用电气、普惠、罗罗等航空发动机公司每年在技术研发上的投入都超过10亿美金。

附加值高,航空发动机产业的高投入也为各大厂商带来高回报,按照以单位重量计的价格,航空发动机、民用客机、台式计算机、汽车和船舶的比例为1400:800:300:9:1,是工业部门目前附加值最高的产业。

带动作用强,航空发动机属于尖端科技,航空发动机技术的突破必将带动关联技术领域的进步,日本曾作过一次500余项技术扩散案例分析,发现其中60%的技术源于航空产品。作为高端制造业,航空发动机对下游产业也有着巨大的带动作用。一是“回顾效应”,即对机械、仪表、电子、材料、冶金、化工等上游产业发展的带动作用;二是“前瞻效应”,即对航空运输业、旅游业、城市交通基础设施建设、物流等产业发展的诱导作用;三是“旁侧效应”,即对改善国民经济各部门资源配置、提高效率等的推动作用。

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