研製高性能的航空發動機本身就是一項難度極大的系統工程,這種難度首先體現在,高性能的航空發動機要求通過不斷結構創新,才能達到先進的總體設計和高循環參數要求。
在推重比10一級的發動機中,黎明公司的f110-100是唯一採用3611(三級風扇+六級壓氣機+單級高壓渦輪+單級低壓渦輪)總體設計的渦輪風扇發動機,而歐洲ej200和美國m808的壓氣機都比它多了一級,它們在壓氣機葉片級數多於f110-100的情況下,增壓比和穩定裕度還低於它的水平
。
以航空發動機的尾噴管爲例,黎明公司設計的尾噴管採用了大量先進的結構設計。
它已經從一種簡單的熱排氣收縮管道,演變成在現代飛機設計中一種可變幾何形狀和可實現多種任務的非常複雜的部件。
新的任務包括控制推力大小、實現反推力、實現矢量推力、抑制噪聲和紅外輻射等,爲了達到這些目的,必須在噴管冷卻、驅動和製造方面有所進展。
其次,研製航空發動機難在,超過極限的參數要求最終都要落實到發展尖端的材料、製造工藝上。
能在高溫、高壓和高速條件下穩定工作是現代航空渦輪發動機對渦輪性能提出的最基本要求。
爲了保證製造渦輪的材料能夠在高溫燃氣中可靠工作,渦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部釋放出來的冷空氣實現的,需要鑄造出空心的複雜氣動外形的渦輪葉片成爲挑戰各國航空工業的大難題,這項技術被稱爲工業王冠上的寶石。
另外,單晶渦輪葉片在航空發動機領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,整個葉片在內部晶體結構上沒有應力集中和容易斷裂的薄弱點。
現在的冷卻效果可達400-500攝氏度,高性能水平的葉片集先進的材料、先進的成型工藝、先進的冷卻技術、先進的塗層於一體。
它採用的單晶葉片和雙性能渦輪盤賦予了發動機極高的循環參數水平,極高的循環參數賦予發動機在性能提升的前提下,單位耗油率卻保持了較低的水平,爲戰鬥機能夠超音速巡航作出了不可磨滅的貢獻。
航空發動機研製的困難和性能差距主要體現在渦輪葉片以及渦輪盤材料和工藝兩個方面。
另外一點,研製航空發動機還難在,航空發動機的製造是現代技術和傳統技藝的集成。
裝配是產品製造的最後環節,產品的裝配質量在很大程度上決定了產品的最終質量
。
爲了保證裝配完成後達到規定的結構強度、空氣動力性能等指標,航空發動機對裝配的要求非常高,特別是轉子結構的裝配。
由於航空發動機零部件型號規格相似、數目繁多、結構外形複雜,因此裝配工藝非常繁複,加上發動機裝配還主要採用手工方式,裝配精度高低和裝配質量穩定依賴於裝配工人的操作經驗和熟練程度。
當然,這個時期研製航空發動機還難在航空發動機的技術本身不成熟,現在還是實驗性技術。
航空發動機的研製和發展是一項涉及空氣動力學、工程熱物理、機械、密封、電子、自動控制等多學科的綜合性系統工程,航空發動機內部的氣動、熱力和結構材料特性是如此複雜,以至於到目前爲止,仍然不能夠從理論上給予詳盡而準確的描述,只能依靠實際發動機試驗。
實踐表明,要研製出新的發動機,沒有大量的試驗作後盾是不可能實現的。
軍用航空發動機的地面試驗和飛行試驗所用發動機臺數少則50臺、多則100臺,發動機地面試驗都要上萬小時,最高達16000小時以上,飛行試驗則需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,這方面公司是沒有疑問的。
船用主機大部分時間是在滿負荷情況下工作,有時在變負荷情況下運轉。船舶經常在顛簸中航行,所以船用柴油機應能在縱傾15°-25°和橫傾15°-35°的條件下可靠工作。
大多數船舶採用增壓柴油機,小功率非增壓柴油機僅用在小艇上,低速柴油機多數爲二衝程機,中速柴油機多數爲四衝程機,而高速柴油機則兩者皆有。
船用二衝程柴油機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、低速柴油機廣泛採用重油作爲燃料,高速柴油機仍多用輕柴油。
低速柴油機直接驅動螺旋槳,爲了使螺旋槳有高的推進效率,要求有較低的轉速。
中、高速柴油機通過齒輪減速箱驅動螺旋槳,齒輪箱一般還裝有倒順車機構以實現螺旋槳逆轉,但低速柴油機和部分中速柴油機本身可以自行逆轉
。
中、高速柴油機也有通過發電機-電動機-螺旋槳而實現電傳動的。當要求功率較大時也可採用多機並車,低速航行時可以只用一臺主機工作,從而提高運行經濟性和可靠性。
同船安裝兩臺主機時,根據安裝位置和螺旋槳的轉向,分爲左機和右機。
船用柴油機的主要發展趨勢是:改進增壓技術(二級增壓、超高增壓和補燃增壓等),以提高單機功率;改善燃燒過程、燃用低質燃油和利用廢熱,以提高經濟性;提高可靠性和延長使用壽命;採用故障預報和監控,以實現柴油機自動化遙控。
大功率低速柴油機廣泛應用於散貨船、油輪、集裝箱船等大型遠洋船舶上。
由於船舶日趨大型化、巨型化與自動化以及對船舶主機的經濟性、可靠性的要求日益提高,大功率二衝程低速柴油機的技術發展呈現出整體優化的趨勢,具體表現在以下幾個方面:
1,單機、單缸功率越來越大,單機最大可達到11萬匹馬力。
2,進一步降低燃油消耗率。
3,平均有效壓力已達1190-1195mpa,爆發壓力在1510-1515mpa。
4,採用高壓比、高效的新型增壓器,壓比高達5∶1。
5,採用電子調速器系統、電控燃油噴射系統、高壓共軌燃油噴射系統、智能化電子控制系統,進一步提高低速柴油機的可靠性,改善低負荷性能,降低油耗以及安全保護控制等。
縱觀坦克發動機的發展過程,根據已經和將採用的技術措施,坦克發動機的發展趨勢爲:
1,在機型上,柴油機繼續是坦克的主要動力。由於上述各種上傳統技術和新技術,特別是電子控制技術的發展和應用,柴油機仍處於高速發展時期。
從性能上來描述,將是高單位體積功率、高燃油經濟性、高扭矩儲備、高加速性的輕巧、寧靜、排氣潔淨的發動機,兼具奧托循環和狄塞爾循環的優點
。
從結構類型上來描述,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動機,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會是未來的突破方向,超高增壓柴油機可能進入坦克動力行列,而採用電子控制等新技術的4衝程渦輪增壓中冷柴油機仍處主要地位。
燃氣輪機是一種連續燃燒的旋轉式熱機。作爲車用動力,它固有的優點是扭矩特性好、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、機油消耗高低、冷卻消耗功少、具有經濟燃料性能、排污少且輕聲無煙。
但固有的主要缺點是燃油消耗率高,隨着陶瓷材料的發展,可逐步採用陶瓷渦輪葉片提高渦輪進口溫度、採用可變截面渦輪噴嘴、研究高效率回熱器,燃氣輪機燃油經濟性將繼續提高。
此外,隨着今後坦克火炮和火控系統的發展,坦克有可能要求功率更大的發動機,到那時候,燃氣輪機的優越性也將更爲明顯。
總之,燃氣輪機確是一種良好的也是有發展潛力的坦克動力,它正在逐步增長與柴油機的抗衡力量。
轉子發動機具有零部件少、結構緊湊,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點,但也有油耗高、密封件易於磨損的缺點,而且作爲大功率軍用動力的可靠性還沒有受到實踐考驗,所以這種軍事上的應用,也許從功率較低的裝甲車輛開始。
2,在設計方法上,應用整體化設計,傳統的設計方法是以發動機爲一個部件按要求進行單獨設計,這不利於車輛的總體設計和整體性能,因爲片面追求發動機自身的性能而不考慮它與傳動裝置、冷卻系統等在尺寸、性能上的協調匹配只會徒然增加發動機的設計觀度。
德國設計發動機時就把發動機、傳動裝置、冷卻系統作爲整體進行設計,從而使動力裝置具有結構緊湊和裝拆方便的優點。
整體化設計無論從設計、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計方法。
摘自蘭黎明在黎明工業軍事裝備研究院的講話。