久久99国产精品尤物-国产高清色播视频免费看-男生肌肌往女人桶爽视频-精品国产-91PORNY九色|www.jqdstudio.net

|  站內搜索:
網站首頁 > 環球聚焦 > 深度評析 > 閱讀信息
乘風航空:中國航空發動機不行到底是不是材料不行?
點擊:  作者:乘風航空    來源:乘風航空 微信號  發布時間:2022-02-20 12:03:13


中國航空發動機不行到底是不是材料不行?

 

目錄

1前言

2發動機故障往往最直接的表現都是材料性能不足。

3我們國家航空發動機材料的現狀如何?

4發動機到底承受著什么樣的工作環境(常見失效模式)?

5航空發動機的研制流程是什么?

6那到底是什么不行!

7總結

 

1. 前言

 

我相信幾乎所有的關心中國航空發動機發展的朋友都聽過一個很典型的結論:“中國航空發動機不好是因為中國的材料不行。”甚至于有的人還會添油加醋地說:“中國的發動機圖紙都畫的出來,但是因為材料原因根本就造不出來。”

 

 

—— 中國的“太行”發動機 ——

 

這個說法乍聽頗有道理,也很有戲劇效果,但是,開篇明義:中國的航空發動機確實會面臨材料上的問題,但是材料問題不是制約中國航空發動機的根本問題,解決這個問題也不是單純靠發展材料能夠解決的。

 

2. 發動機故障往往最直接的表現

都是材料性能不足

——by 鄭擊波

 

簡單說,航空發動機中的很多故障最直接的表現就是發動機里面的什么零件斷掉了,或者裂開來了。比如說航空發動機里面經常會出現的葉片斷裂故障。

 

 

—— 風扇葉片斷裂 ——

 

再比如說發動機中比較嚴重的渦輪破裂、包容失效事故。

 

 

—— 渦輪盤破裂事故 ——

 

一個零件為什么會出現裂紋或者整個斷開?其實最直接的原因就是:這個材料已經承受不住外界對這個零件施加的載荷了,所以才裂開或者斷開的。

 

比如說下圖就是一個最簡單的零件,我們通過一個力F用力拉這個桿子的兩端,從而引起了零件內部的應力,當應力超過這個材料的極限之后,零件就會斷裂了。

 

 

—— 外力F作用下桿子的材料會受到應力作用 ——

 

而且發動機工況非常復雜,所以零件遠遠不是承受靜力這么簡單。

 

在這樣的環境下,零件受到的力是“動態”的,忽大忽小,而在這樣的應力作用下,材料的破壞要容易得多。

 

3. 我們國家航空發動機

材料的現狀如何?

——by 老 錢

 

晚上和久違的業內朋友吃飯。

 

期間,我提到乘風的公眾號正在考慮出一篇關于中國的航空發動機到底是不是材料不行的文章,朋友憤憤地拋下一句:從我機加的角度看,就是材料不行!

 

 

作為一個本碩博都是材料專業的我,只能是苦笑著附議。是啊,機加尺寸已經到位了,為什么我們的航發依舊性能上不去,壽命也長不了呢?

 

可能是,我們連材料設計許用數據都沒弄清楚。

 

 

航發零件選材的時候,設計人員會根據發動機的工作溫度、強度以及環境進行綜合考慮,并最終確定選材方案。而擺在設計人員面前的,是各種材料在不同溫度下的力學性能數據以及各種條件下的氧化/腐蝕性能數據,甚至還包括特殊環境服役數據和物理化學特性,例如,耐沖蝕性能、密度、熱導率、熱膨脹系數等等。以上這些數據,都可稱之為材料設計許用數據。

 

那么,這些許用數據是怎么來的呢?這需要通過正確的測試方法,從多批次的測量中獲得,并且還要給上一個置信區間。以前同事經常問我一些涂層的熱膨脹系數,我只能默默地把文獻數據遞交。哎,這玩意兒,咱是真沒有!

 

一定會有人說,天朝,怎么可能沒有材料數據庫?

 

有,咱真的有!但是,不全面。一些數據由于測試時間短、測試條件不正確或者測試樣本量不夠,其實是不準確的。拿著錯誤的數據進行發動機設計,那最終反映出來的,就是材料問題。

 

畢竟,當一臺航空發動機是紙糊的時候,你肯定會說,材料不行!

 

所以這個時候我們不禁就要問一個問題了,既然設計中的很多數據都是缺失的,那設計該怎么辦?所以我們先從發動機的工作環境,也就是設計需要克服的問題著手來分析一下。

 

4. 發動機到底承受著什么樣的

工作環境(常見失效模式)?

——by 寶大廚

 

航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械:壓氣機將進入發動機的空氣逐級增壓;燃燒室保證增壓后空氣與燃油充分混合,并穩定燃燒;渦輪將氣流的能量轉換為機械能;同時還有短艙系統、空氣系統、機械系統、控制系統協同工作。不同部件、系統間功能不同、設計需求不同、需要考慮的工作場景也不同,想要全面、準確地描述發動機故障模式,存在一定難度。

 

 

從失效機理上看,常見的失效模式包括靜強度失效、低周疲勞失效、高周疲勞失效、蠕變疲勞失效、結構失穩等;從可能引發失效的工作場景上看,包括FBO、鳥撞、發動機振動異常、發動機超溫、發動機著火、發動機超轉、轉子非包容、零組件失效引起的過壓等。

 

不同零組件間工作受載差異大,根據其工作特點會有不同失效模式。以燃燒室為例,燃燒室主要包含燃燒室機匣火焰筒噴嘴三個組件。

 

其中,燃燒室機匣是主要的承力構件,承受高溫、高壓載荷,溫度梯度和壓力載荷綜合作用下,安裝座孔邊、螺栓孔邊等位置會產生應力集中,長時工作后的低循環疲勞失效是其主要故障模式;

 

而對火焰筒來說,其直接承受著燃燒場和脈動壓力作用,蠕變疲勞失效和高周疲勞失效是其主要故障模式,當然,其壽命又與冷卻設計水平直接相關;

 

燃油噴嘴來說,其承受著來自發動機和燃燒室脈動的振動激勵,高周疲勞失效是其主要故障模式,同時也存在微動磨損等故障。

 

 

在這些典型故障模式中,有些是直接引起發動機危害性后果的,比較典型的是轉子斷裂,進而引起非包容破壞;有些是影響發動機運營效率/成本的,如一些低周疲勞裂紋、高周疲勞裂紋,需要進行頻繁檢測或維修。下面介紹幾種典型的故障案例:

 

 

低周疲勞失效:

風扇盤低周疲勞失效引起的風扇轉子及機匣丟失

 

 

低周疲勞失效:

熔煉過程中微米級氧化物殘留導致高壓渦輪盤低循環疲勞破壞,引起非包容破壞,打穿燃油總管,造成著火

 

 

高周疲勞破壞:

渦輪葉片共振引起的高周疲勞失效

 

 

火焰筒燒蝕

 

廣義上來講,設計能力和材料水平的關系可由下面這張圖來表達:材料的平均性能和分散性決定了設計用數據高低,而設計用數據和設計應力間的距離則表明了結構的安全裕度,安全裕度越高,則結構更安全可靠。

 

與此同時,設計應力也是具有分散性的,既取決于設計載荷的準確性(包括溫度分布、壓力、機械載荷、機動載荷等),也取決于分析的準確性(如有限元計算精度等),還包括一些不易直接量化評估的因素(如阻尼設計、間隙設計、表面粗糙度等)。

 

 

這個時候問題的答案是不是越來越明確了,設計問題也許才是罪歸禍首……那我們先來看看航空發動機的研制流程到底是什么樣的。

 

5. 航空發動機的研制流程

是什么?

——by Georgia

 

全文基于MIT教授Olivier de Weck的課程:《系統工程基礎》,如您感興趣,請自行B站搜索學習。

 

系統工程經典V模型如下:

 

 

在工程產品研發過程中,你必須自上而下做出一些設計決策,當上一層級的設計決策確定后,你就能得到下一個層級的需求,這是一個迭代過程。經典V模型中未能體現出迭代,但他們事實上是存在的。

 

此處以冰糖葫蘆為例進行闡述,實際上,需要用到系統工程進行設計的產品遠比這個示例復雜:

 

 

1客戶分析

冰糖葫蘆賣給誰?在哪兒賣?客戶心理價位是多少?

2需求定義

冰糖葫蘆要甜,要新鮮,要好吃,價位合適,利潤好。

4. 系統架構概念生成

冰糖葫蘆垛兒上由一些純山楂的,一些水果的構成。

5. 權衡空間概念選擇

一個冰糖葫蘆垛兒上10串純山 楂的,30串水果的,水果有獼猴桃,草莓,香蕉。草莓最好賣,20串,獼猴桃與山楂混合5串,香蕉與山楂混合5串。

6. 設計定義,多目標優化

設計每串冰糖葫蘆,全山楂的包含8顆山楂,全草莓的包含6顆草莓,獼猴桃/香蕉與山楂混合,均包含3顆水果3顆山楂。

12. 原型制造

采購原料,做冰糖葫蘆。

8. 系統集成,交互界面管理

冰糖葫蘆都插在垛兒上,相互之間不要粘住。

9. 驗證和生效

扛起冰糖葫蘆垛兒走兩步,確定結構可靠,重量適中,可營業。

最后兩步10,11就是試營業和經營管理了~

 

6. 那到底是什么不行!

——by 沈主任

 

我們就參考上面的V模型來講述一下發動機的研制過程。

 

1. 客戶分析(論證)

 

發動機的論證是需要經歷一個漫長的過程的,商用的發動機需要結合當下客戶的需求和未來客戶的潛在需求來論證,而軍用的就需要從戰爭模式來論證。這樣就容易出現壓不中技術路線或者理解錯誤客戶需求的可能性。舉個簡單的例子,那就是A380,這是工程上的成功,卻不是產品上的成功,因為航空業的需求不再是豪華、大載客量、干線機場對干線機場的航線,而是更經濟實惠的中短距離飛行。

 

所以拋開工程技術層面,一款發動機是否成功也取決于決策團隊是否真的能結合當下實際及未來發展而做出準確的判斷。舉例而言,當全世界都不在講究航空發動機排放的七十年代,大量的增推方式出現,其中比較著名的就是在起飛階段往燃燒室注水從而在短時間增加發動機質量流量,從而達到增推的目的。而這樣做的后果就是,起飛時候飛機拖著滾滾濃煙,就像是在燒柴火一樣,肉眼可見的污染排放。

 

 

那此時,如果決策層沒有預料到節能減排是未來發展方向,而點錯科技樹去論證一款專業注水發動機。那我敢肯定,決策團隊祖宗的棺材板肯定壓不住。

 

而在這方面,我國暫時不存在或者很少涉及,因為我們作為追趕著是有明確目標的,也就是抄作業。而如果要趕超歐美先進水平,那從這一步起就得領先,就得我們來定義發動機技術和需求的走向。所以如果我們單單就論技術,我覺得反而片面,沒有看到問題更高層面的地方。

 

2. 需求定義

 

這個是我們最最欠缺的地方!或者說這就是我們落后的根源。

 

知其然而不知其所以然的情況讓一臺發動機從根本上產生了胎里毛病!

 

需求定義是任何一款工業產品最重要的一步,定義好需求,確認好工作場景,全面整合需要達到的技術指標和詳細的單項技術要求是一個產品成功的根基。

 

舉例來說,我們先從大一點的單元體出發,以燃燒室為例。那好,我們現在要定義燃燒室需要達到的溫度、來流氣量和溫度、燃燒效率、排放標準、燃燒室出口溫度分布等,定義這些是為了確定燃燒室設計采用多少個頭部、分配多少冷卻氣、采用何種結構的固定方式等。

 

但是問題往往就出在這一步上了。渦輪到底要多少冷氣從燃燒室內機匣的預旋噴嘴引走才能使渦輪葉片不超溫?燃燒溫度和火焰筒長度到底要達到多少才能滿足排放標準?火焰筒壁面冷卻結構到底能達到多少的綜合冷效才能滿足氣量分配?。。。好了,問題越來越多了,要設計簡直無從起筆。

 

為什么?因為提出需求是要有強大的基礎學科成績和多年的經驗數據積累從而達到知其所以然的境界才能做到的。也就是在現階段,我們沒法定義我們的需求,因為我們提的指標只要細細一推敲就會發現,我們到達了一個更加廣闊的未知領域,而這個未知領域的尷尬反過頭來會對需求提出質疑。從而讓我們不斷的否定自我,不斷的重新分解需求。以至于最后進入了一個所謂的摸著石頭過河的兩難境地。高端的科技的確需要不斷地嘗試和摸索,但是別人是摸索10%的未知,而我們要摸索80%的未知,那出錯和失敗的概率就大大增加。

 

所以,我一直都覺得引進國外成熟高端人才并不是要他們能把在一個技術領域弄出個屠龍秘籍,我們只要拿到秘籍就萬事具備了。我覺得我們就需要這么一波人把我們的需求講清楚!有了明確的需求定義,憑著中國人的勤勞和智慧,一定能攻克難題的。

 

3.系統架構概念生成+權衡空間概念選擇+設計定義、多目標優化(設計)

 

這里能說的就實在太多了。我覺得有這么兩個方面:設計工具和設計體系。

 

a. 設計工具主要是長時間積累下來的經驗公式以及靈活可用且資源豐富的小型驗證平臺。還是舉燃燒室的例子,環腔引氣造成的橫流速度會影響火焰筒冷卻孔的有效面積,那好了。。。我知道靜壓狀態下冷卻孔的有效面積,但這時候加入了環腔流速,同時還是個不知道流場具體情況的環腔,這時候火焰筒冷卻孔有效面積怎么確定?我確定不了有效面積我就沒法開孔,我就沒法畫圖紙,我就沒法加工,我就沒法做實驗。。。。。。約等于,我啥都不能干了。歐美國家是有自己的經驗公式的,同類型發動機有固定的估算方法,我們。。。沒有。

 

那這個時候,回過頭來說,我們做個簡單的模擬實驗不就行了。

 

的確,這個實驗不難做,但是我們的平臺在哪里。要氣源條件符合,要測量儀器符合,這樣的地方國內我一個手都數的過來,而這些地方又要承擔繁重的科研任務,能留給你這個實驗上臺的機會有多少?

 

b. 設計體系就是個比較玄幻的事情了。我看了許多的回答,都在說技術,都在說人才。那我們往更系統的地方去看,那就是體系。設計是有流程的,什么階段做什么事,出什么數據,判斷決策點需要什么材料,達到什么標準可以往下走,設計工作要什么樣的人來完成,這個人需要什么能力,如何監管這個設計師的工作。。。。這一系列的問題都是體系來支撐的。而這一點,我想我們捫心自問,真的有么?或者說真的成熟么?

 

技術的先進性是需要先進體系支撐的,就如同解放思想改革開放才能撐起更高質量的經濟建設一樣。我們很少完整的走完一款發動機的設計過程,所以積累的體系建設很少,也就沒法把我們的問題解決,把我們的技術提高。

 

4. 原型制造(試制)

 

這個我就不多說了,基礎工業領域的高端機床、特種工藝技術等等都處于落后地位,加工試制出高端產品的可能性就不高。

 

但是這個還不是根本!

 

根本就在于設計和制造的協同不徹底,設計與制造中間存在嚴重脫節。工藝無法實現設計目的,設計不考慮工藝現狀,兩方面互相影響,要不就是導致試制產品無法達到設計意圖,從而在試驗過程中無法真正測試設計合理性;要不就是導致工藝應用不合理,新工藝步子邁的太大,在加工中產生了更多設計也沒有預料到的問題,從而導致問題累計,無法排故。

 

設計要根據工藝現狀來設計,工藝開發要理解設計意圖來針對性研發,兩者之間不能脫節嚴重,否則就會造成大部分外行人經常怪罪的:我們國家材料不行。。。。

 

正面的例子就是蘇聯的RD93,該款發動機可能是工藝與設計的一次最完美的結合,雖然工藝水平落后,但是最終的性能水平極高。

 

5.系統集成,交互界面管理(好的裝配也是設計出來的)

 

簡單說,“設計”不只是宏觀尺寸的設計,界面配合公差這種參數也是歸總體設計部門管,如下圖所示就是盤-軸連接的不同配合公差設計:軸比孔大,就裝配得緊、但是裝配難度大;軸比孔小,裝起來容易但是結構會“松”,所以這0.0Xmm的參數到底怎么給還是得總體設計部門給。(裝配部門表示讓我設計我就全部間隙配合你信不?)

 

 

—— -軸連接的不同配合公差設計 ——

 

甚至于裝配過程本身(比如說冷裝/熱裝、加熱/冷卻溫度、螺栓裝配順序、擰緊方式)也是總體設計部門參與其中的。

 

優秀的裝配工藝參數設計可以讓裝配工藝大大簡化的同時還能夠取得一樣的合格產品,這就是本事。

 

次優秀的裝配工藝設計雖然裝配難度大、過程復雜、使用儀器多、依賴熟練工,但是好歹最后能夠達到設計目標,裝配部門罵娘但是產品合格。

 

而最次的設計,就是這也要求、那也要求,裝配部門叫苦不迭但最終裝出來的東西偏偏還不合格,設計部門得整天忙著排除故障。

 

6. 驗證和生效(試驗)

 

這個問題上面也提到過一些,試驗資源太少,試驗體系不完善(到底要做哪些試驗,試驗怎么做)。這些方面我們都欠缺。

 

7. 試營業和經營管理(批產、服役、維修)

 

這個就要說到一個工業化的思想了。批產是為了產品高效、穩定、成本最低地交付,所以在設計批產工藝和生產指揮方面就要從“航空發動機也是工業產品”這個角度去思考,萬萬不能把航空發動機神秘化,妖魔化,覺得是一項需要精雕細琢的藝術品。

 

重要的事情說三遍:

 

航空發動機是工業品

 

航空發動機是工業品

 

航空發動機是工業品

 

是工業品就得考慮效率,考慮成本。我們現在還在說老師傅手藝好,打出來的零件精度高。這個就不是工業品應該出現的思想。你問我航空發動機和芯片哪個是工業皇冠上的明珠?我覺得現階段是芯片,因為我們的航空發動機還沒完全考慮如何降成本,如何更高效的生產,還在把發動機當藝術品來生產,那你別說他是明珠了,他就是索額圖都不如。。。。

 

7. 總結

 

我國航空發動機的落后是多方面的,不能一概而論是材料不行。雖然材料的落后在其中占有一定因素,但是設計的落后是一個更大的原因,包括設計數據、設計體系工具、設計制造協同等等。空談材料實在是頭痛醫頭、腳痛醫腳,結果只能是事倍功半。

 

材料是我們的上限,設計是我們的下限。

 

所以,我輩任重而道遠。

 

參考文獻:

陳光. (2020). 結構設計不合理引發的發動機重大故障航空動力, 1.

陳光. (2019). 渦輪盤中隱藏多年的瑕疵導致波音767燒毀航空動力, 6.

陳博朱劍寒, & 魯輝軍. (2020). 航空發動機渦輪葉片高周疲勞裂紋故障分析與思考燃氣渦輪試驗與研究, 33(3).

劉寧致楊守波, & 劉靜. (2016). 渦槳發動機火焰筒燒蝕故障分析與預防失效分析與預防, 11(1), 2127.

劉大響一代新材料一代新型發動機:航空發動機的發展趨勢及其對材料的需求材料工程, 2017, 45(10): 1-5.

 

來源:乘風航空微信號

 

責任編輯:向太陽
特別申明:

1、本文只代表作者個人觀點,不代表本站觀點,僅供大家學習參考;

2、本站屬于非營利性網站,如涉及版權和名譽問題,請及時與本站聯系,我們將及時做相應處理;

3、歡迎各位網友光臨閱覽,文明上網,依法守規,IP可查。

熱點排行
  • 一周
  • 一月
  • 半年
  • 建言點贊
  • 一周
  • 一月
  • 半年
  • 圖片新聞

    友情鏈接
  • 北京市趙曉魯律師事務所
  • 186導航
  • 紅旗文稿
  • 人大經濟論壇
  • 光明網
  • 宣講家網
  • 三沙新聞網
  • 西征網
  • 四月網
  • 法律知識大全
  • 法律法規文庫
  • 最高人民法院
  • 最高人民檢察院
  • 中央紀委監察部
  • 共產黨新聞網
  • 新華網
  • 央視網
  • 中國政府網
  • 中國新聞網
  • 全國政協網
  • 全國社科辦
  • 全國人大網
  • 中國軍網
  • 中國社會科學網
  • 人民日報
  • 求是理論網
  • 人民網
  • 備案/許可證編號:京ICP備15015626號-1 昆侖策研究院 版權所有 舉報郵箱:kunlunce@yeah.net
    攜趣HTTP代理服務器