研製高性能的航空發(fā)動機(jī)本身就是一項(xiàng)難度極大的系統(tǒng)工程,這種難度首先體現(xiàn)在,高性能的航空發(fā)動機(jī)要求通過不斷結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,才能達(dá)到先進(jìn)的總體設(shè)計(jì)和高循環(huán)參數(shù)要求。
在推重比10一級的發(fā)動機(jī)中,黎明公司的f110-100是唯一採用3611(三級風(fēng)扇+六級壓氣機(jī)+單級高壓渦輪+單級低壓渦輪)總體設(shè)計(jì)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī),而歐洲ej200和美國m808的壓氣機(jī)都比它多了一級,它們在壓氣機(jī)葉片級數(shù)多於f110-100的情況下,增壓比和穩(wěn)定裕度還低於它的水平
。
以航空發(fā)動機(jī)的尾噴管爲(wèi)例,黎明公司設(shè)計(jì)的尾噴管採用了大量先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
它已經(jīng)從一種簡單的熱排氣收縮管道,演變成在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中一種可變幾何形狀和可實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)的非常複雜的部件。
新的任務(wù)包括控制推力大小、實(shí)現(xiàn)反推力、實(shí)現(xiàn)矢量推力、抑制噪聲和紅外輻射等,爲(wèi)了達(dá)到這些目的,必須在噴管冷卻、驅(qū)動和製造方面有所進(jìn)展。
其次,研製航空發(fā)動機(jī)難在,超過極限的參數(shù)要求最終都要落實(shí)到發(fā)展尖端的材料、製造工藝上。
能在高溫、高壓和高速條件下穩(wěn)定工作是現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機(jī)對渦輪性能提出的最基本要求。
爲(wèi)了保證製造渦輪的材料能夠在高溫燃?xì)庵锌煽抗ぷ鳎瑴u輪通常都要採取複雜的冷卻手段,比如氣膜冷卻、衝擊冷卻和對流冷卻。
這些冷卻手段都是通過空心渦輪內(nèi)部釋放出來的冷空氣實(shí)現(xiàn)的,需要鑄造出空心的複雜氣動外形的渦輪葉片成爲(wèi)挑戰(zhàn)各國航空工業(yè)的大難題,這項(xiàng)技術(shù)被稱爲(wèi)工業(yè)王冠上的寶石。
另外,單晶渦輪葉片在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域由它開始逐漸普及使用,單晶葉片就是隻有一個晶粒的鑄造葉片,整個葉片在內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)上沒有應(yīng)力集中和容易斷裂的薄弱點(diǎn)。
現(xiàn)在的冷卻效果可達(dá)400-500攝氏度,高性能水平的葉片集先進(jìn)的材料、先進(jìn)的成型工藝、先進(jìn)的冷卻技術(shù)、先進(jìn)的塗層於一體。
它採用的單晶葉片和雙性能渦輪盤賦予了發(fā)動機(jī)極高的循環(huán)參數(shù)水平,極高的循環(huán)參數(shù)賦予發(fā)動機(jī)在性能提升的前提下,單位耗油率卻保持了較低的水平,爲(wèi)戰(zhàn)鬥機(jī)能夠超音速巡航作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。
航空發(fā)動機(jī)研製的困難和性能差距主要體現(xiàn)在渦輪葉片以及渦輪盤材料和工藝兩個方面。
另外一點(diǎn),研製航空發(fā)動機(jī)還難在,航空發(fā)動機(jī)的製造是現(xiàn)代技術(shù)和傳統(tǒng)技藝的集成。
裝配是產(chǎn)品製造的最後環(huán)節(jié),產(chǎn)品的裝配質(zhì)量在很大程度上決定了產(chǎn)品的最終質(zhì)量
。
爲(wèi)了保證裝配完成後達(dá)到規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空氣動力性能等指標(biāo),航空發(fā)動機(jī)對裝配的要求非常高,特別是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的裝配。
由於航空發(fā)動機(jī)零部件型號規(guī)格相似、數(shù)目繁多、結(jié)構(gòu)外形複雜,因此裝配工藝非常繁複,加上發(fā)動機(jī)裝配還主要採用手工方式,裝配精度高低和裝配質(zhì)量穩(wěn)定依賴於裝配工人的操作經(jīng)驗(yàn)和熟練程度。
當(dāng)然,這個時期研製航空發(fā)動機(jī)還難在航空發(fā)動機(jī)的技術(shù)本身不成熟,現(xiàn)在還是實(shí)驗(yàn)性技術(shù)。
航空發(fā)動機(jī)的研製和發(fā)展是一項(xiàng)涉及空氣動力學(xué)、工程熱物理、機(jī)械、密封、電子、自動控制等多學(xué)科的綜合性系統(tǒng)工程,航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部的氣動、熱力和結(jié)構(gòu)材料特性是如此複雜,以至於到目前爲(wèi)止,仍然不能夠從理論上給予詳盡而準(zhǔn)確的描述,只能依靠實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn)。
實(shí)踐表明,要研製出新的發(fā)動機(jī),沒有大量的試驗(yàn)作後盾是不可能實(shí)現(xiàn)的。
軍用航空發(fā)動機(jī)的地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)臺數(shù)少則50臺、多則100臺,發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)都要上萬小時,最高達(dá)16000小時以上,飛行試驗(yàn)則需5000小時以上。
說到這裡,我想告訴諸位的是,利潤的一半將投入研發(fā),這方面公司是沒有疑問的。
船用主機(jī)大部分時間是在滿負(fù)荷情況下工作,有時在變負(fù)荷情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。船舶經(jīng)常在顛簸中航行,所以船用柴油機(jī)應(yīng)能在縱傾15°-25°和橫傾15°-35°的條件下可靠工作。
大多數(shù)船舶採用增壓柴油機(jī),小功率非增壓柴油機(jī)僅用在小艇上,低速柴油機(jī)多數(shù)爲(wèi)二衝程機(jī),中速柴油機(jī)多數(shù)爲(wèi)四衝程機(jī),而高速柴油機(jī)則兩者皆有。
船用二衝程柴油機(jī)的掃氣形式有迴流掃氣、氣口-氣門式直流掃氣和對置活塞式氣口掃氣。
大功率中、低速柴油機(jī)廣泛採用重油作爲(wèi)燃料,高速柴油機(jī)仍多用輕柴油。
低速柴油機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳,爲(wèi)了使螺旋槳有高的推進(jìn)效率,要求有較低的轉(zhuǎn)速。
中、高速柴油機(jī)通過齒輪減速箱驅(qū)動螺旋槳,齒輪箱一般還裝有倒順車機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)螺旋槳逆轉(zhuǎn),但低速柴油機(jī)和部分中速柴油機(jī)本身可以自行逆轉(zhuǎn)
。
中、高速柴油機(jī)也有通過發(fā)電機(jī)-電動機(jī)-螺旋槳而實(shí)現(xiàn)電傳動的。當(dāng)要求功率較大時也可採用多機(jī)並車,低速航行時可以只用一臺主機(jī)工作,從而提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性。
同船安裝兩臺主機(jī)時,根據(jù)安裝位置和螺旋槳的轉(zhuǎn)向,分爲(wèi)左機(jī)和右機(jī)。
船用柴油機(jī)的主要發(fā)展趨勢是:改進(jìn)增壓技術(shù)(二級增壓、超高增壓和補(bǔ)燃增壓等),以提高單機(jī)功率;改善燃燒過程、燃用低質(zhì)燃油和利用廢熱,以提高經(jīng)濟(jì)性;提高可靠性和延長使用壽命;採用故障預(yù)報(bào)和監(jiān)控,以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)自動化遙控。
大功率低速柴油機(jī)廣泛應(yīng)用於散貨船、油輪、集裝箱船等大型遠(yuǎn)洋船舶上。
由於船舶日趨大型化、巨型化與自動化以及對船舶主機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性的要求日益提高,大功率二衝程低速柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出整體優(yōu)化的趨勢,具體表現(xiàn)在以下幾個方面:
1,單機(jī)、單缸功率越來越大,單機(jī)最大可達(dá)到11萬匹馬力。
2,進(jìn)一步降低燃油消耗率。
3,平均有效壓力已達(dá)1190-1195mpa,爆發(fā)壓力在1510-1515mpa。
4,採用高壓比、高效的新型增壓器,壓比高達(dá)5∶1。
5,採用電子調(diào)速器系統(tǒng)、電控燃油噴射系統(tǒng)、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、智能化電子控制系統(tǒng),進(jìn)一步提高低速柴油機(jī)的可靠性,改善低負(fù)荷性能,降低油耗以及安全保護(hù)控制等。
縱觀坦克發(fā)動機(jī)的發(fā)展過程,根據(jù)已經(jīng)和將採用的技術(shù)措施,坦克發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢爲(wèi):
1,在機(jī)型上,柴油機(jī)繼續(xù)是坦克的主要動力。由於上述各種上傳統(tǒng)技術(shù)和新技術(shù),特別是電子控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,柴油機(jī)仍處於高速發(fā)展時期。
從性能上來描述,將是高單位體積功率、高燃油經(jīng)濟(jì)性、高扭矩儲備、高加速性的輕巧、寧靜、排氣潔淨(jìng)的發(fā)動機(jī),兼具奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)
。
從結(jié)構(gòu)類型上來描述,則是一種具有低壓縮比高增壓比的4衝程水冷直噴式渦輪增壓中冷發(fā)動機(jī),這是主流。
在軍用上採用整體陶瓷或陶瓷塗層零件的低散熱渦輪複合柴油機(jī)會是未來的突破方向,超高增壓柴油機(jī)可能進(jìn)入坦克動力行列,而採用電子控制等新技術(shù)的4衝程渦輪增壓中冷柴油機(jī)仍處主要地位。
燃?xì)廨啓C(jī)是一種連續(xù)燃燒的旋轉(zhuǎn)式熱機(jī)。作爲(wèi)車用動力,它固有的優(yōu)點(diǎn)是扭矩特性好、可簡化傳動裝置、有良好的加速性和越野性、摩察副少、起動性好、機(jī)油消耗高低、冷卻消耗功少、具有經(jīng)濟(jì)燃料性能、排污少且輕聲無煙。
但固有的主要缺點(diǎn)是燃油消耗率高,隨著陶瓷材料的發(fā)展,可逐步採用陶瓷渦輪葉片提高渦輪進(jìn)口溫度、採用可變截面渦輪噴嘴、研究高效率回?zé)崞鳎細(xì)廨啓C(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性將繼續(xù)提高。
此外,隨著今後坦克火炮和火控系統(tǒng)的發(fā)展,坦克有可能要求功率更大的發(fā)動機(jī),到那時候,燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)越性也將更爲(wèi)明顯。
總之,燃?xì)廨啓C(jī)確是一種良好的也是有發(fā)展?jié)摿Φ奶箍藙恿Γ谥鸩皆鲩L與柴油機(jī)的抗衡力量。
轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)具有零部件少、結(jié)構(gòu)緊湊,特別是高度低、單位體積功率大、比重量小、便於系列化和軍民通過用固有優(yōu)點(diǎn),但也有油耗高、密封件易於磨損的缺點(diǎn),而且作爲(wèi)大功率軍用動力的可靠性還沒有受到實(shí)踐考驗(yàn),所以這種軍事上的應(yīng)用,也許從功率較低的裝甲車輛開始。
2,在設(shè)計(jì)方法上,應(yīng)用整體化設(shè)計(jì),傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是以發(fā)動機(jī)爲(wèi)一個部件按要求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),這不利於車輛的總體設(shè)計(jì)和整體性能,因爲(wèi)片面追求發(fā)動機(jī)自身的性能而不考慮它與傳動裝置、冷卻系統(tǒng)等在尺寸、性能上的協(xié)調(diào)匹配只會徒然增加發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)觀度。
德國設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)時就把發(fā)動機(jī)、傳動裝置、冷卻系統(tǒng)作爲(wèi)整體進(jìn)行設(shè)計(jì),從而使動力裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊和裝拆方便的優(yōu)點(diǎn)。
整體化設(shè)計(jì)無論從設(shè)計(jì)、製造、使用和保證車輛整體性能任何一方面來講都是一種有效的設(shè)計(jì)方法。
摘自蘭黎明在黎明工業(yè)軍事裝備研究院的講話。