【简介：】本篇文章给大家谈谈《飞机发动机技术难点》对应的知识点，希望对各位有所帮助。本文目录一览：
1、飞机发动机为什么那么难制造
2、航空发动机有多难造？
3、飞机发动机为什么
本篇文章给大家谈谈《飞机发动机技术难点》对应的知识点，希望对各位有所帮助。
本文目录一览：
- 1、飞机发动机为什么那么难制造
- 2、航空发动机有多难造？
- 3、飞机发动机为什么这么难造 原因是什么
- 4、航空发动机有哪些尖端技术呢？有哪些制作难处呢？
- 5、航空发动机被称为研发制造难度最大的现代工业造物，这么难造吗？
飞机发动机为什么那么难制造
增材制造技术最重要的应用首推航空航天领域。美国“增材制造路线图”把航空航天需求作为增材制造的第一位工业应用目标，波音、GE、霍尼韦尔、洛克希德•马丁等美国著名航空航天企业都是美国增材制造创新研究所（NAMII）的成员单位。澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”。2012年9月，英国技术战略委员会特别专家组在一份题为“ShapingourNationalCompetencyinAdditiveManufacturing”的专题报告中，也把航空航天作为增材制造技术的首要应用领域。
1增材制造技术的优势
以3D打印制造技术为例，作为信息化和制造技术的高度融合，3D打印能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密、近净成形，特别是对于激光立体成形和修复的零件，其力学性能同锻件性能相当，成为了应对航空发动机与燃气轮机领域技术挑战的最佳新技术途径。相对传统制造技术，3D打印技术具有以下十大潜在优势。
（1）降低制造成本。对于传统制造，产品形状越复杂，制造成本越高。3D打印不会因为产品形状的复杂程度提高而消耗更多的时间或成本，针对航空发动机为追求性能而呈现的大量形状复杂的零件制造，3D打印无疑具有优势。
（2）适于产品多样化。航空发动机本身就是“试出来的”产品，研制过程需要多次反复修改设计，传统上每一轮改进都需要对模具进行修改并增加制造成本，3D打印不需要针对产品的形状改变而修改模具。
（3）最小化装配和减重。通过拓扑优化设计，3D打印可以打印组合零件，减少产品装配并降低产品重量。
（4）即时交付。3D打印可以按需打印，从而大大压缩航空发动机部分长周期零件的试制周期。
（5）拓展设计空间。受传统制造方式限制，产品只能根据工艺的可实现性来设计，如航空发动机涡轮叶片上气模孔的形状只能是圆形。3D打印可以使涡轮叶片的气模孔根据冷却效果要求设计成椭圆形或其他任意形状。
（6）降低技能要求。传统上，航空发动机很多零件制造对操作人员技能有很高要求，甚至出现过个别零件只能由1人或少数几人制造的情形。3D打印从设计文件中获取各种指令，制造同样复杂的产品，3D打印机所需的操作技能远低于传统铸造。
（7）便携制造。传统的铸造、锻造一般仅能制造比设备小的产品。3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，制造出比自身设备还要大的产品。
（8）降低浪费。与传统加工减材制造相反，3D打印制造属于增材制造，航空发动机与燃气轮机所使用的大量传统金属加工，大量原材料都在加工过程中被废弃，而3D打印的“净成形”大幅减少金属制造浪费量。
（9）材料组合。对于传统航空发动机与燃气轮机制造方式来讲，将不同材料组合（铸造、锻造等）成单一产品非常困难，3D打印有能力将不同原材料融合在一起。
（10）精确实体复制。类似于数字文件复制，3D打印未来将使得数字复制扩展到实体领域，实现异地零件复制。
2应用现状
2.1直接制造领域
金属零件的直接增材制造的技术构思，由美国联合技术研究中心（UTRC）在1979年首先提出，其应用对象就是制造航空发动机涡轮盘[2]。1994年，国际三大航空发动机公司之一的英国罗尔斯•罗伊斯公司（Rolls-Royce）与英国Crankfield大学一起探索航空发动机机匣的激光立体成形（LSF）制造技术。2000年，美国波音公司首先宣布采用LSF技术制造的三个钛合金零件在F-22和F/A-l8E/F飞机上获得应用，并在2001年制定了LSF技术的美国国家标准（该标准在2011年进行了修订），由此在全球掀起了金属零件直接增材制造的第一次热潮。
2005年，西北工业大学将LSF技术与铸造技术相结合，建立激光组合制造技术，解决了航空发动机In961+GH4169合金复合轴承后机匣[4]的制造难题，保证了新型发动机研制按时装机试车。近年来，随着金属直接增材制造技术成熟度的逐渐提高，特别是金属直接增材制造装备的商用化，采用金属直接增材制造技术进行航空发动机零部件的成形制造又逐渐受到了国内外航空发动机公司和研究机构的重视。图1显示了德国EOS公司所展示的其所生产的选择性激光熔化（SLM）装备在航空发动机零部件制造的应用潜力。
意大利Avio公司采用瑞典Arcam公司所生产的电子束熔化装备（EBM）生产了TiAl低压涡轮叶片。德国MTU航空发动机公司，除了将LSF技术应用于航空发动机零部件的修复之外，近期也开始测试采用SLM技术直接制造的航空发动机小型压气机静子件。罗尔斯•罗伊斯航空发动机公司同样也在考虑将金属直接增材制造技术应用于其先进航空发动机的轻量化构件的直接制造。普惠公司（PrattWhitney）则依托MTU航空发动机公司，也在开展SLM技术直接制造PurePowerPW1100G-JM航空发动机零部件的测试工作，如图2所示。
目前，美国GE公司已拥有各类金属直接增材制造装备300多台套，在航空发动机金属零件的直接增材制造方面已走在国际前列。近期，美国GE公司基于其航空发动机高端零件直接制造的需求，通过收购美国Morris公司和意大利Avio公司，重点开展了航空发动机零件的SLM和EBM制造研究和相关测试。美国Morris公司采用SLM技术生产了大量的航空发动机零件，如图3所示，已经拥有超过20台最先进的SLM设备。2013年底，GE公司宣布，将采用SLM技术为其下一代的GELeap发动机生产喷油嘴，每年的产量将达到40000个。GE公司发现，采用SLM技术生产喷嘴，生产周期可缩短2/3，生产成本降低50%，同时可靠性得到了大大的提高。
2.2增材修复领域
航空发动机工作的苛刻环境决定了其对零件制造的要求极高，在很长一段时间里，金属直接增材制造重点还是着重于航空发动机零部件的修复。致力于使LSF技术商用化的美国OptomecDesign公司，已将LSF技术应用于T700美国海军飞机发动机零件的磨损修复，如图4所示，实现了已失效零件的快速、低成本再生制造。德国MTU公司与汉诺威激光研究中心则将LSF技术用于涡轮叶片冠部组里面的硬面覆层或恢复几何尺寸。
德国Fraunhofer研究所则重点研究了LSF技术在钛合金和高温合金航空发动机损伤构件修复再制造的应用。英国Rolls-Royce航空发动机公司则将LSF技术用于涡轮发动机构件的修复。瑞士洛桑理工学院W.Kurz教授的研究组采用LSF技术实现了高温合金单晶叶片的修复。在国内，西北工业大学基于LSF技术开展了系统的激光成形修复的研究与应用工作，已经针对发动机部件的激光成形修复工艺及组织性能控制一体化技术进行了较为系统的研究，并在小、中、大型航空发动机机匣、叶片、叶盘、油管等重要关键零件的修复中获得广泛应用，如图5所示。
3应用前景
GE公司通过GRABCAD协会举办了一次基于金属直接增材制造技术钛合金发动机支架的再设计大赛，共有56个国家的设计爱好者提交了697个参赛作品，其中冠军设计将支架的重量从原设计的2.033kg减轻至327g，减重达84%。由于采用基于粉末床的SLM技术难以避免在零件生产中产生微小孔洞，造成疲劳性能降低，对于GE公司来说，采用SLM技术生产的零件主要用于生产异形管路和铸件。为此，GE公司同时也在探索采用基于同步材料送进技术的LSF技术生产高性能致密航空发动机零件。
图6显示了GE公司依托西北工业大学LSF技术所制造的GE90发动机复合材料宽弦风扇叶片钛合金进气边和高温合金机匣。其中，钛合金进气边长1000mm，壁厚0.8~1.2mm，最终加工变形仅0.12mm，通过了GE公司的测试。图7所示为GE公司预计可在航空发动机各部位应用金属直接增材制造零部件的示意图。GE公司预计采用金属直接增材制造的零件，未来可占航空发动机零部件的50%，使其研发的大型航空发动机每台至少减重454kg。
金属直接增材制造技术已经在航空发动机零部件的制造上显示了重要的应用潜力和广阔的应用前景。不过，基于技术原理和制造成本，任何一项加工技术都有与其相适应的零件结构特点，对于航空发动机零部件的制造同样如此。基于金属直接增材制造技术的成形精度、效率和成本特点，这项技术非常适用于制造发动机中具有轻量化要求的复杂构件，特别是带有内部油路、管路的构件，具有复杂凸缘或凸台的构件，具有复杂翼型的构件，具有封闭或开孔蜂窝结构的构件和集成异形通路的构件。
航空发动机有多难造？
众所周知，现如今我国的军工科技经过数十年的不断发展，已经成为了世界少数几个军工业非常强大的国家，尤其是在隐形战斗机和带薪运输机方面，我国已经走在了世界的前列，毕竟我国是世界上第二个研制出隐形战斗机的国家，也是世界上少数几个能够独立研制大型运输机的国家。
然而就是在这样的情况下，我国却也有一些短板，如发动机领域就是如此。可以说现在的发动机可谓是限制我国战斗机和运输机最大的阻碍之一，我国的歼20隐形战斗机虽然先进，但因为发动机的不给力，使得其战斗力受到了极大的限制。
其拥有的先进性能完全发挥不出来，也是非常可惜了。而反观美国，其F22隐形战斗机所搭载的F119发动机，是目前世界上最先进的几款发动机之一，其涉及到的技术非常复杂和繁多。
就是在这样的情况下，我国却也有一些短板，如发动机领域就是如此。可以说现在的发动机可谓是限制我国战斗机和运输机最大的阻碍之一，我国的歼20隐形战斗机虽然先进，但因为发动机的不给力，使得其战斗力受到了极大的限制。
哪怕将这样一台先进的航空发动机摆到我们眼前，也无法短时间内仿制甚至根本无法仿制。因为制造这样的发动机不仅要各个部件的材料组成和配比，还需要相应的尖端加工技术。所以哪怕把美军F-119发动机图纸搞到手，各国也没有难理解进行仿制，由此可见美国的发动机性能之强和其发动机技术之复杂。
所以即使中国在，近些年来发动机领域进步很大，但与美国相比还有很大的差距，还是需要非常努力才行。
飞机发动机为什么这么难造 原因是什么
1、因为飞机发动机的每个部件都相当难造，各个部件在高温、高压、高转速的复杂环境下工作且相互影响很大，加之高性能、长寿命、高可靠、轻重量、隐身、经济性、安全性等要求和日益苛刻的环保性约束，已经成为一个逼近极限的综合性产品。
2、与航天火箭发动机相比，航空发动机并非一次性使用，要求在恶劣的使用条件下，能够重复、可靠使用，对耐久性具有苛刻的要求。航空发动机工作范围相当宽广且工作环境极其恶劣的高温、高压、高转速的热力机械装置。航空发动机内部的物理、化学现象非常复杂，目前仍然不能完全从理论上给予详细、准确的描述，只能依靠实际发动机试验进行验证。
3、而且先进航空发动机，需要长时间的技术储备和积累，需要大量优秀、专业的设计人员不断的探索。以涡轮喷气发动机为例，它就是两端开口的圆筒，但在内部安装有十几级风扇、压气机、涡轮，以及传动轴、主燃烧室、加力燃烧室和喷管，数万个零部件。但就是这样一个直径约1米、长度4到5米的圆筒能够持续不断地产生上万公斤、相当于自身重量8到10倍的推力，这就是它的神奇之处。
航空发动机有哪些尖端技术呢？有哪些制作难处呢？
航空发动机在材料、加工、装配、设计和自动化方面是制造业的最前沿。 在材料方面，从燃烧室出来的气体有时接近1800K，这超过了我们大多数钢材保持强度所需的温度，所以我们必须借助于新的单晶材料。除了温度的困难外，强度也很重要。还有什么？光是材料的进步是不够的。高温涡轮机的叶片仍然需要冷却，也就是说，在叶片上打 "孔"，以创造一个叶片冷却的通道。如何创建这个通道？如何防止这个通道对叶片强度影响过大？这些都是问题。
装配：众所周知，大部分的压缩机叶片都是 "镶嵌 "在轮毂上的。除了叶片、轴、轴承外，这些部件的安装也需要熟练的装配工人--我们就是缺乏。为了解决这些问题，我们不仅需要资金、人力和物力，还需要时间。西方国家对叶片（或机翼）的研究已有几百年的历史，如美国的NACA机翼、德国的卡尔斯鲁厄机翼等，这些都是通过多年的实验积累起来的--当然，现在用得不多。在一个叶片大多是三维扭曲的时代，一个一个地造，一个一个地实验，是特别乏味的。
这种时间上的困难不仅体现在叶片上，整个航空发动机的实验也需要时间的积累。压缩机有几级？压缩机采用什么变形规律？多大的轴？多大的涡轮机？旁通比是多少？对于这种与流体有关的东西，人类世界还没有多少准确的理论分析，目前流行的数值模拟受限于算法的选择和精度，不能提供准确的数据，只能进行实验--然后积累庞大的数据库供我们组合和模型设计。
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航空发动机被称为研发制造难度最大的现代工业造物，这么难造吗？
航空发动机（尤其是军用）要在非常有限的体积内追求极致的性能，需要更尖端的材料和更精细的设计，材料能满足几百至几千小时的稳定工作就可以了。三转子（三轴）发动机的是英国罗尔斯·罗伊斯，比如罗罗以前的RB211系列和目前的瑞达系列。
法国没有能力搞先进航空发动机，目前有能力搞先进航空发动机的只有两个国家三个公司，即英国的罗罗，美国的GE和普惠，效率，推力和涵道比，增压比，涡轮前温度都有匹配关系。涡轮前温度越高，匹配的总增压比会提高，民用大涵道比发动机涵道比尽量增大，匹配的风扇亚比会降低，军用小涵道比是尽量提高涡轮前温度，它的要求和民用不同。感觉已经到了现有常用材料的瓶颈了，镍基合金承载温度从700升到1000℃提升的比较快，到1100℃再往上就很难了。1400℃是镍基合金的熔点范围，现在已经0.8Tm了，更高的温度只能指望陶瓷叶片或复合材料叶片了。
现在的航空发动机有离心式和轴流式
地面燃气轮机希望实现高效率、低成本、耐久性和长时可靠性（温度相对低一点，要求材料在更长时间的（10万小时级）稳定运行），对体积要求相对低一点。地面燃气轮机工况相对稳定（比如电站），材料能使用更长的时间；而航发工况更复杂（起飞、爬升、巡航、剧烈机动）导致材料失效更快。这两个领域要做好的话，都需要几十年的持续投入和积累。如果德国和日本要搞先进航发的话，不少东西也是得从头开始。战后德国的人才流失严重，国防工业也被压制。此外也存在需求不足的因素。毕竟欧洲要直面苏联的压力，MD在欧洲防务是很上心的，欧洲人只要想要，总能从美国人那里搞到配备先进航发的战斗机。德国虽然在燃机领域颇有建树，但是航发和燃机的差异还是很大的，没有足够的驱动力，几大巨头们也不愿走这条无止境烧钱的路。
MTU利用自己在燃机领域积累的雄厚实力，参加了不少航发的国际合作，大多负责压气机和低压涡轮部分；核心机一般都是交给美英的合作中完成，这也算是术业有专攻吧。台风配备的EJ200好像也是RR负责核心机，德国人搞压气机。空客的航发都是固定的几家采购，RR（trent系列）、GE和PW（GP系列)或者一些合作成立的公司（像IAE的V2500），德国可能还是以参与为主。自然科学，和工业是可以积累一步一步往前走，所谓后人站在巨人肩膀上。接下来二流的人才从事商业贸易，三流的进了IT行业。那搞技术的，认清形势以后还能坚持的就只有四流的了。最后的最后，把科研落实到生产的现场工人，他们是被很多人看不起的，航发却要通过他们的双手生产，组装，调试。
这长图片更直观
我个人认为航发追求的是极端恶劣条件下（高温高压高应力）保证长期的、稳定的、极端的性能。这个高温就难倒了很多领域：半导体工业有很多技术难点，但是常温或100~200℃左右的问题起码可以通过各种常见设备（SEM，TEM，FIB，3DAP等等）进行研究，实验方法也是成熟的，即使是原位研究是可能的。而在航发中，如高速（甚至是超音速）气流中的燃烧问题、材料在极高温度下（1000℃）的蠕变以及相变过程的原位研究等就是用现有手段难以实现的。
对物理过程的认识和工程方面的实践都存在巨大困难的前提下，还要不断推进技术前沿，我认为是能称得上最难。准确来说是风扇带动的外涵气流产生了超过整机80%以上的推力，单个叶片上的气动载荷超过2吨，而工作时的离心载荷更是达到13吨以上，而GE90-115B的复合材料+钛合金包边叶片更是作为工艺品在博物馆展出(具体哪个博物馆想不起名字了)，而作为GE90的后辈GEnx将风扇叶片减少至19片，其单片叶片所承受的气动载荷更大(具体数值没有查过)。
马赫数较低的阶段，涡扇发动机效率高
涡轮其实是个能量转换的部件，就像水轮机的涡沦把水流的势能转换为发电机转子的动能再来发电。航发涡轮是把燃油燃烧产生的热能转化为涡轮旋转的动能，继而带动风扇和压气机产生推力。涡轮温度越低，燃油的热能散失的越多，转化效率越低，所以这是没办法的事情。合金叶片对高温的承载能力有限，可不可以换种思路，将材料的研究着力于耐高温涂料上，高温涂料经过特殊的工艺处理能达到很好的效果，可以减少对金属材料的依赖，转而在涂料材料上去的巨大突破。目前来看，未来可能的替代材料是陶瓷基复合材料（CMC），它的温度能比金属高很多，甚至不需要涂层，但是还有很多问题需要解决。据说GE搞过实验，结果我还不了解。这应该还是很有希望的一条路。
发动机材料不是任何东西都离不开铁，而是铁作为杂质不太好完全消除，而且现在国内的镍基高温合金国军标铁含量也已经可以降低到0.05%，实际产品铁含量更低。而且也不是所有的镍基高温合金都不含铁，比如发动机中用量最大的IN718合金，是含有18%的铁，因为铁便宜。还有，发动机材料选用镍基而不是铁基最主要的原因并不是铁的蠕变温度问题，而是因为铁会发生同素异构转变，镍则不会。此外，钴基材料是更好的高温结构材料，但钴价格太昂贵，所以综合来说镍基材料是最优的。航空发动机为了进气顺畅，是没有致密滤网这种东西的，最多在入口安装惯性或者离心分离器。只有地面装备的燃气轮机如M1 Abrams装备的AGT1500燃气轮机，出于使用环境需要，才会加装滤网，不过M1每次大修发动机时，会发现许多压气机叶片都被没过滤干净的沙粒打出凹坑或者边缘受损。
早期的风扇是窄弦风扇，由实心钛合金锻造而成
俄罗斯(前苏联)很擅长利用系统工程理论，将一个个不够先进的零部件整个成为整体性能突出的产品，最典型的莫过于前苏联米格25歼击机。和欧美同类军工产品相比，俄罗斯的相关产品具有易于维护，粗犷的特点。不能说精良的、精密的就一定是好的，各有各的优点。二战时期的苏德战场将两种风格的优缺点暴露无遗：德式坦克(虎式、豹式等)做工十分精良，制造工艺在当时相当先进，但对维护的要求很高，产量低，在恶劣的苏联冬季气候中无法有效发挥自身的效力；反观苏式坦克(如T-34)，结构简单，可利于大规模制造，操作更简单，斯大林格勒拖拉机厂的工人在生产出一台T-34后自己就驾驶着上战场了。随着战事的不断进行，德军装备战损严重，不能得到及时补充，而苏军的装备源源不断涌向战场，最后德军被活活拖垮。
所以，极端追求设备的先进性成为很多人的误区，如何是现有设备发挥最大效力可能是需要重点解决的问题。飞天巡洋，动力先行，航发技术关乎国家军事力量，是各国最精尖端技术的集合，其面临的问题之广之繁之困难，试验成本之高是难以想象的，比如涡喷发动机燃烧室温度越高性能越好，但哪种材料怎样处理可以在如此高温下的使用就成为了绝对屏障，因为不可能去穷举试验。航发看似粗旷实则精密之极。
航发和燃气轮机的做功过程是布雷顿循环
开发新材料的脚步从未停下，只是在这种环境下满足要求的材料确实比较难开发。现在也有脉冲爆震和超燃冲压发动机的研究，但是在跨音速段，涡扇确实是非常有优势。希望以后能有反重力引擎吧。内流空气系统对维持发动机瞬态工作条件的稳定十分重要，如果稍有闪失就可能导致部件局部过热或者零件间隙偏差过大进而影响性能甚至导致安全事故。钛合金一般用在风扇和压气机叶片，工作温度比较低，正常情况下不会发生钛火。我以前看过一篇关于钛火的论文，主要原因一方面是外物撞击等造成的剧烈摩擦、冲击导致压气机钛合金叶片发生钛火；另一方面就是喘振等导致高温气体从燃烧室反向冲到压气机，导致叶片发生钛火。
为了提高航空发动机性能，RR搞的三转子发动机，pw搞的是齿轮传动，目的都是解藕中压涡轮或低压涡轮与风扇或中压压气机的转速（传统设计，他们是在一根轴上）。大函道比发动机风扇要求叶尖尽量不超音，而风扇直径很大，所以风扇转速不能太高，否则效率恶化。低压涡轮增好相反，转速越高效率越高。一个绳子栓了两蚂蚱，只能互相妥协。我比较关心航发的轴承使用和维护，以现在高氮合金钢轴承（内外圈）氮化硅（陶瓷球滚动体）还是无法满足航发的实际工况温度要求。
那就需要润滑系统的补充，首先是满足高速、高温、高负载（高扭矩）能形成良好油膜，其次需要润滑油交换带走热量，并冷却后输回（油路循环系统）。轴流式更适合多级排列，提高压气比，但是相应的就出现了空气倒流的可能，所以引入了可调静止叶片的概念，和放气活门的概念防止喘震，另外n1 n2转子的速度匹配也要精确控制，因为n1可以认为空转，而n2却要带动其他附件转动，所以转子间的速度匹配也十分困难，就更不用说Rb211及其后来的三转子系列了，所以能搞三转子技术的公司很少。
压气机采用转子+静子的结构
但为什么一定要搞三转子呢？因为三转子相对于2转子压气机的压缩过程更平滑，更加不容易喘震、也就是说可以提高压气比，从而提高涡轮钱燃气总压，提高推力，换句话说，如果难度不大，转子越多可能从某一角度说，发动机将会越好。
航空发动机经历了活塞，涡喷，涡扇三代了，涡扇的潜力也基本到头了，新一代超燃冲压以及爆轰发动机我们和西方站在同一起跑线上，虽然我们基础方面还是会差一点，但是靠着集中力量办大事的优势，下一代发动机上和美英比肩还是很有可能的。
关于《飞机发动机技术难点》的介绍到此就结束了。
