乘风航空：中国航空发动机不行到底是不是材料不行？

点击：  作者：乘风航空    来源：乘风航空 微信号  发布时间:2022-02-20 12:03:13

中国航空发动机不行到底是不是材料不行？

 

目录

1前言

2发动机故障往往最直接的表现都是材料性能不足。

3我们国家航空发动机材料的现状如何？

4发动机到底承受着什么样的工作环境（常见失效模式）？

5航空发动机的研制流程是什么？

6那到底是什么不行！

7总结

 

1. 前言

 

我相信几乎所有的关心中国航空发动机发展的朋友都听过一个很典型的结论：“中国航空发动机不好是因为中国的材料不行。”甚至于有的人还会添油加醋地说：“中国的发动机图纸都画的出来，但是因为材料原因根本就造不出来。”

 

 

—— 中国的“太行”发动机 ——

 

这个说法乍听颇有道理，也很有戏剧效果，但是，开篇明义：中国的航空发动机确实会面临材料上的问题，但是材料问题不是制约中国航空发动机的根本问题，解决这个问题也不是单纯靠发展材料能够解决的。

 

2. 发动机故障往往最直接的表现

都是材料性能不足

——by 郑击波

 

简单说，航空发动机中的很多故障最直接的表现就是发动机里面的什么零件断掉了，或者裂开来了。比如说航空发动机里面经常会出现的叶片断裂故障。

 

 

—— 风扇叶片断裂 ——

 

再比如说发动机中比较严重的涡轮破裂、包容失效事故。

 

 

—— 涡轮盘破裂事故 ——

 

一个零件为什么会出现裂纹或者整个断开？其实最直接的原因就是：这个材料已经承受不住外界对这个零件施加的载荷了，所以才裂开或者断开的。

 

比如说下图就是一个最简单的零件，我们通过一个力F用力拉这个杆子的两端，从而引起了零件内部的应力，当应力超过这个材料的极限之后，零件就会断裂了。

 

 

—— 外力F作用下杆子的材料会受到应力作用 ——

 

而且发动机工况非常复杂，所以零件远远不是承受静力这么简单。

 

在这样的环境下，零件受到的力是“动态”的，忽大忽小，而在这样的应力作用下，材料的破坏要容易得多。

 

3. 我们国家航空发动机

材料的现状如何？

——by 老 钱

 

晚上和久违的业内朋友吃饭。

 

期间，我提到乘风的公众号正在考虑出一篇关于中国的航空发动机到底是不是材料不行的文章，朋友愤愤地抛下一句：从我机加的角度看，就是材料不行！

 

 

作为一个本硕博都是材料专业的我，只能是苦笑着附议。是啊，机加尺寸已经到位了，为什么我们的航发依旧性能上不去，寿命也长不了呢？

 

可能是，我们连材料设计许用数据都没弄清楚。

 

 

航发零件选材的时候，设计人员会根据发动机的工作温度、强度以及环境进行综合考虑，并最终确定选材方案。而摆在设计人员面前的，是各种材料在不同温度下的力学性能数据以及各种条件下的氧化/腐蚀性能数据，甚至还包括特殊环境服役数据和物理化学特性，例如，耐冲蚀性能、密度、热导率、热膨胀系数等等。以上这些数据，都可称之为材料设计许用数据。

 

那么，这些许用数据是怎么来的呢？这需要通过正确的测试方法，从多批次的测量中获得，并且还要给上一个置信区间。以前同事经常问我一些涂层的热膨胀系数，我只能默默地把文献数据递交。哎，这玩意儿，咱是真没有！

 

一定会有人说，天朝，怎么可能没有材料数据库？

 

有，咱真的有！但是，不全面。一些数据由于测试时间短、测试条件不正确或者测试样本量不够，其实是不准确的。拿着错误的数据进行发动机设计，那最终反映出来的，就是材料问题。

 

毕竟，当一台航空发动机是纸糊的时候，你肯定会说，材料不行！

 

所以这个时候我们不禁就要问一个问题了，既然设计中的很多数据都是缺失的，那设计该怎么办？所以我们先从发动机的工作环境，也就是设计需要克服的问题着手来分析一下。

 

4. 发动机到底承受着什么样的

工作环境（常见失效模式）？

——by 宝大厨

 

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械：压气机将进入发动机的空气逐级增压；燃烧室保证增压后空气与燃油充分混合，并稳定燃烧；涡轮将气流的能量转换为机械能；同时还有短舱系统、空气系统、机械系统、控制系统协同工作。不同部件、系统间功能不同、设计需求不同、需要考虑的工作场景也不同，想要全面、准确地描述发动机故障模式，存在一定难度。

 

 

从失效机理上看，常见的失效模式包括静强度失效、低周疲劳失效、高周疲劳失效、蠕变疲劳失效、结构失稳等；从可能引发失效的工作场景上看，包括FBO、鸟撞、发动机振动异常、发动机超温、发动机着火、发动机超转、转子非包容、零组件失效引起的过压等。

 

不同零组件间工作受载差异大，根据其工作特点会有不同失效模式。以燃烧室为例，燃烧室主要包含燃烧室机匣、火焰筒和喷嘴三个组件。

 

其中，燃烧室机匣是主要的承力构件，承受高温、高压载荷，温度梯度和压力载荷综合作用下，安装座孔边、螺栓孔边等位置会产生应力集中，长时工作后的低循环疲劳失效是其主要故障模式；

 

而对火焰筒来说，其直接承受着燃烧场和脉动压力作用，蠕变疲劳失效和高周疲劳失效是其主要故障模式，当然，其寿命又与冷却设计水平直接相关；

 

对燃油喷嘴来说，其承受着来自发动机和燃烧室脉动的振动激励，高周疲劳失效是其主要故障模式，同时也存在微动磨损等故障。

 

 

在这些典型故障模式中，有些是直接引起发动机危害性后果的，比较典型的是转子断裂，进而引起非包容破坏；有些是影响发动机运营效率/成本的，如一些低周疲劳裂纹、高周疲劳裂纹，需要进行频繁检测或维修。下面介绍几种典型的故障案例：

 

 

低周疲劳失效：

风扇盘低周疲劳失效引起的风扇转子及机匣丢失

 

 

低周疲劳失效：

熔炼过程中微米级氧化物残留导致高压涡轮盘低循环疲劳破坏，引起非包容破坏，打穿燃油总管，造成着火

 

 

高周疲劳破坏：

涡轮叶片共振引起的高周疲劳失效

 

 

火焰筒烧蚀

 

广义上来讲，设计能力和材料水平的关系可由下面这张图来表达：材料的平均性能和分散性决定了设计用数据高低，而设计用数据和设计应力间的距离则表明了结构的安全裕度，安全裕度越高，则结构更安全可靠。

 

与此同时，设计应力也是具有分散性的，既取决于设计载荷的准确性（包括温度分布、压力、机械载荷、机动载荷等），也取决于分析的准确性（如有限元计算精度等），还包括一些不易直接量化评估的因素（如阻尼设计、间隙设计、表面粗糙度等）。

 

 

这个时候问题的答案是不是越来越明确了，设计问题也许才是罪归祸首……那我们先来看看航空发动机的研制流程到底是什么样的。

 

5. 航空发动机的研制流程

是什么？

——by Georgia

 

全文基于MIT教授Olivier de Weck的课程：《系统工程基础》，如您感兴趣，请自行B站搜索学习。

 

系统工程经典V模型如下：

 

 

在工程产品研发过程中，你必须自上而下做出一些设计决策，当上一层级的设计决策确定后，你就能得到下一个层级的需求，这是一个迭代过程。经典V模型中未能体现出迭代，但他们事实上是存在的。

 

此处以冰糖葫芦为例进行阐述，实际上，需要用到系统工程进行设计的产品远比这个示例复杂：

 

 

1客户分析

冰糖葫芦卖给谁？在哪儿卖？客户心理价位是多少？

2需求定义

冰糖葫芦要甜，要新鲜，要好吃，价位合适，利润好。

4. 系统架构概念生成

冰糖葫芦垛儿上由一些纯山楂的,一些水果的构成。

5. 权衡空间概念选择

一个冰糖葫芦垛儿上10串纯山 楂的，30串水果的，水果有猕猴桃，草莓，香蕉。草莓最好卖，20串，猕猴桃与山楂混合5串，香蕉与山楂混合5串。

6. 设计定义，多目标优化

设计每串冰糖葫芦，全山楂的包含8颗山楂，全草莓的包含6颗草莓，猕猴桃/香蕉与山楂混合，均包含3颗水果3颗山楂。

12. 原型制造

采购原料，做冰糖葫芦。

8. 系统集成，交互界面管理

冰糖葫芦都插在垛儿上，相互之间不要粘住。

9. 验证和生效

扛起冰糖葫芦垛儿走两步，确定结构可靠，重量适中，可营业。

最后两步10,11就是试营业和经营管理了~

 

6. 那到底是什么不行！

——by 沈主任

 

我们就参考上面的V模型来讲述一下发动机的研制过程。

 

1. 客户分析（论证）

 

发动机的论证是需要经历一个漫长的过程的，商用的发动机需要结合当下客户的需求和未来客户的潜在需求来论证，而军用的就需要从战争模式来论证。这样就容易出现压不中技术路线或者理解错误客户需求的可能性。举个简单的例子，那就是A380，这是工程上的成功，却不是产品上的成功，因为航空业的需求不再是豪华、大载客量、干线机场对干线机场的航线，而是更经济实惠的中短距离飞行。

 

所以抛开工程技术层面，一款发动机是否成功也取决于决策团队是否真的能结合当下实际及未来发展而做出准确的判断。举例而言，当全世界都不在讲究航空发动机排放的七十年代，大量的增推方式出现，其中比较著名的就是在起飞阶段往燃烧室注水从而在短时间增加发动机质量流量，从而达到增推的目的。而这样做的后果就是，起飞时候飞机拖着滚滚浓烟，就像是在烧柴火一样，肉眼可见的污染排放。

 

 

那此时，如果决策层没有预料到节能减排是未来发展方向，而点错科技树去论证一款专业注水发动机。那我敢肯定，决策团队祖宗的棺材板肯定压不住。

 

而在这方面，我国暂时不存在或者很少涉及，因为我们作为追赶着是有明确目标的，也就是抄作业。而如果要赶超欧美先进水平，那从这一步起就得领先，就得我们来定义发动机技术和需求的走向。所以如果我们单单就论技术，我觉得反而片面，没有看到问题更高层面的地方。

 

2. 需求定义

 

这个是我们最最欠缺的地方！或者说这就是我们落后的根源。

 

知其然而不知其所以然的情况让一台发动机从根本上产生了胎里毛病！

 

需求定义是任何一款工业产品最重要的一步，定义好需求，确认好工作场景，全面整合需要达到的技术指标和详细的单项技术要求是一个产品成功的根基。

 

举例来说，我们先从大一点的单元体出发，以燃烧室为例。那好，我们现在要定义燃烧室需要达到的温度、来流气量和温度、燃烧效率、排放标准、燃烧室出口温度分布等，定义这些是为了确定燃烧室设计采用多少个头部、分配多少冷却气、采用何种结构的固定方式等。

 

但是问题往往就出在这一步上了。涡轮到底要多少冷气从燃烧室内机匣的预旋喷嘴引走才能使涡轮叶片不超温？燃烧温度和火焰筒长度到底要达到多少才能满足排放标准？火焰筒壁面冷却结构到底能达到多少的综合冷效才能满足气量分配？。。。好了，问题越来越多了，要设计简直无从起笔。

 

为什么？因为提出需求是要有强大的基础学科成绩和多年的经验数据积累从而达到知其所以然的境界才能做到的。也就是在现阶段，我们没法定义我们的需求，因为我们提的指标只要细细一推敲就会发现，我们到达了一个更加广阔的未知领域，而这个未知领域的尴尬反过头来会对需求提出质疑。从而让我们不断的否定自我，不断的重新分解需求。以至于最后进入了一个所谓的摸着石头过河的两难境地。高端的科技的确需要不断地尝试和摸索，但是别人是摸索10%的未知，而我们要摸索80%的未知，那出错和失败的概率就大大增加。

 

所以，我一直都觉得引进国外成熟高端人才并不是要他们能把在一个技术领域弄出个屠龙秘籍，我们只要拿到秘籍就万事具备了。我觉得我们就需要这么一波人把我们的需求讲清楚！有了明确的需求定义，凭着中国人的勤劳和智慧，一定能攻克难题的。

 

3.系统架构概念生成+权衡空间概念选择+设计定义、多目标优化（设计）

 

这里能说的就实在太多了。我觉得有这么两个方面：设计工具和设计体系。

 

a. 设计工具主要是长时间积累下来的经验公式以及灵活可用且资源丰富的小型验证平台。还是举燃烧室的例子，环腔引气造成的横流速度会影响火焰筒冷却孔的有效面积，那好了。。。我知道静压状态下冷却孔的有效面积，但这时候加入了环腔流速，同时还是个不知道流场具体情况的环腔，这时候火焰筒冷却孔有效面积怎么确定？我确定不了有效面积我就没法开孔，我就没法画图纸，我就没法加工，我就没法做实验。。。。。。约等于，我啥都不能干了。欧美国家是有自己的经验公式的，同类型发动机有固定的估算方法，我们。。。没有。

 

那这个时候，回过头来说，我们做个简单的模拟实验不就行了。

 

的确，这个实验不难做，但是我们的平台在哪里。要气源条件符合，要测量仪器符合，这样的地方国内我一个手都数的过来，而这些地方又要承担繁重的科研任务，能留给你这个实验上台的机会有多少？

 

b. 设计体系就是个比较玄幻的事情了。我看了许多的回答，都在说技术，都在说人才。那我们往更系统的地方去看，那就是体系。设计是有流程的，什么阶段做什么事，出什么数据，判断决策点需要什么材料，达到什么标准可以往下走，设计工作要什么样的人来完成，这个人需要什么能力，如何监管这个设计师的工作。。。。这一系列的问题都是体系来支撑的。而这一点，我想我们扪心自问，真的有么？或者说真的成熟么？

 

技术的先进性是需要先进体系支撑的，就如同解放思想改革开放才能撑起更高质量的经济建设一样。我们很少完整的走完一款发动机的设计过程，所以积累的体系建设很少，也就没法把我们的问题解决，把我们的技术提高。

 

4. 原型制造（试制）

 

这个我就不多说了，基础工业领域的高端机床、特种工艺技术等等都处于落后地位，加工试制出高端产品的可能性就不高。

 

但是这个还不是根本！

 

根本就在于设计和制造的协同不彻底，设计与制造中间存在严重脱节。工艺无法实现设计目的，设计不考虑工艺现状，两方面互相影响，要不就是导致试制产品无法达到设计意图，从而在试验过程中无法真正测试设计合理性；要不就是导致工艺应用不合理，新工艺步子迈的太大，在加工中产生了更多设计也没有预料到的问题，从而导致问题累计，无法排故。

 

设计要根据工艺现状来设计，工艺开发要理解设计意图来针对性研发，两者之间不能脱节严重，否则就会造成大部分外行人经常怪罪的：我们国家材料不行。。。。

 

正面的例子就是苏联的RD93，该款发动机可能是工艺与设计的一次最完美的结合，虽然工艺水平落后，但是最终的性能水平极高。

 

5.系统集成，交互界面管理（好的装配也是设计出来的）

 

简单说，“设计”不只是宏观尺寸的设计，界面配合公差这种参数也是归总体设计部门管，如下图所示就是盘-轴连接的不同配合公差设计：轴比孔大，就装配得紧、但是装配难度大；轴比孔小，装起来容易但是结构会“松”，所以这0.0Xmm的参数到底怎么给还是得总体设计部门给。（装配部门表示让我设计我就全部间隙配合你信不？）

 

 

—— 盘-轴连接的不同配合公差设计 ——

 

甚至于装配过程本身（比如说冷装/热装、加热/冷却温度、螺栓装配顺序、拧紧方式）也是总体设计部门参与其中的。

 

优秀的装配工艺参数设计可以让装配工艺大大简化的同时还能够取得一样的合格产品，这就是本事。

 

次优秀的装配工艺设计虽然装配难度大、过程复杂、使用仪器多、依赖熟练工，但是好歹最后能够达到设计目标，装配部门骂娘但是产品合格。

 

而最次的设计，就是这也要求、那也要求，装配部门叫苦不迭但最终装出来的东西偏偏还不合格，设计部门得整天忙着排除故障。

 

6. 验证和生效（试验）

 

这个问题上面也提到过一些，试验资源太少，试验体系不完善（到底要做哪些试验，试验怎么做）。这些方面我们都欠缺。

 

7. 试营业和经营管理（批产、服役、维修）

 

这个就要说到一个工业化的思想了。批产是为了产品高效、稳定、成本最低地交付，所以在设计批产工艺和生产指挥方面就要从“航空发动机也是工业产品”这个角度去思考，万万不能把航空发动机神秘化，妖魔化，觉得是一项需要精雕细琢的艺术品。

 

重要的事情说三遍：

 

航空发动机是工业品

 

航空发动机是工业品

 

航空发动机是工业品

 

是工业品就得考虑效率，考虑成本。我们现在还在说老师傅手艺好，打出来的零件精度高。这个就不是工业品应该出现的思想。你问我航空发动机和芯片哪个是工业皇冠上的明珠？我觉得现阶段是芯片，因为我们的航空发动机还没完全考虑如何降成本，如何更高效的生产，还在把发动机当艺术品来生产，那你别说他是明珠了，他就是索额图都不如。。。。

 

7. 总结

 

我国航空发动机的落后是多方面的，不能一概而论是材料不行。虽然材料的落后在其中占有一定因素，但是设计的落后是一个更大的原因，包括设计数据、设计体系工具、设计制造协同等等。空谈材料实在是头痛医头、脚痛医脚，结果只能是事倍功半。

 

材料是我们的上限，设计是我们的下限。

 

所以，我辈任重而道远。

 

参考文献：

1 陈光. (2020). 结构设计不合理引发的发动机重大故障. 航空动力, 1.

2 陈光. (2019). 涡轮盘中隐藏多年的瑕疵导致波音767烧毁. 航空动力, 6.

3 陈博, 朱剑寒, & 鲁辉军. (2020). 航空发动机涡轮叶片高周疲劳裂纹故障分析与思考. 燃气涡轮试验与研究, 33(3).

4 刘宁致, 杨守波, & 刘静. (2016). 涡桨发动机火焰筒烧蚀故障分析与预防. 失效分析与预防, 11(1), 21–27.

5 刘大响. 一代新材料, 一代新型发动机:航空发动机的发展趋势及其对材料的需求. 材料工程, 2017, 45(10): 1-5.

 

来源：乘风航空微信号