想靠断供发动机扼杀C919?没门!国产商用航发涡轮叶片攻克震动疲劳最难关
2021-01-12 11:18:29 作者:材料科学与工程 来源:兵工科技等 分享至:

美国想靠断供扼杀C919的打算正在落空!


据央视新闻1月2日报道,中科院金属研究所正在着手研制的钛铝合金发动机叶片已通过震动疲劳考核,考评效果为达到“理想预期”,接下来研究人员还将启动叶片装机考核。


值得一提的是,该叶片将装配在国产大飞机C919的配套发动机CJ1000上面。

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C919大型客机是我国按照国际民航规章自行研制、具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机,座级158-168座,航程4075-5555公里。自2017年成功首飞后,C919便在不断试飞,现在已有6架飞机在4个地方进行飞行试验。去年10月31日,C919还在“2020南昌飞行大会”上,首次进行了动态展示,在现场为观众做了飞行表演。


根据去年底的消息,疫情期间,国产大飞机C919的发展速度不减反增,斩获订单数量创下新高,总订单数已经超过1000架,累计客户达28家。这一数字的不断攀升,意味着越来越多的人对C919投下了“信任票”。


值得一提的是,C919在推出时拥有了很多量身定制的新技术,许多性能相较同类机型如波音737和空客320都有提升,同时在污染物排放方面也大幅减少,这也使得C919在技术上和市场上都具有竞争力。


客户对C919投下“信任票”,除了看重其本身的竞争力外,还有对中国航天市场的看好,国际航协曾预测,2025年中国的航空客载量将超过美国,成为全球最大的航空运输市场。在全球最大航空运输市场的支撑下,国产大飞机离打破波音、空客双寡头垄断、撬动航空领域万亿级市场更进了一步。

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随着中国在大飞机等高科技领域取得突破性进步,美国气急败坏地想扼杀中国的科学技术进步和产业升级。


也是在2020年,传出消息说美国政府要通过掐断进口LEAP-X涡扇发动机的供应,来扼杀国产C919大飞机项目。


航空发动机是“航空工业皇冠上的明珠”,也是一直以来中国航空工业的最主要短板之一,然而,中国人民是吓不到、压不垮的,2021年新年伊始,航空发动机材料研制领域就传来捷报。


据央视报道,中国科学院研发的钛合金涡轮叶片取得成功,目前已经通过振动疲劳考核,取得理想效果,下一步将装机长江发动机CJ1000A考核。这不但是国产航空发动机关键核心材料的一次重大创新突破,为航发进口替代的目标创造有利的条件,也为是我们面对美国的封锁和制裁,给出的响亮答案!

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CJ-1000A模型


“长江”CJ-1000A是一款由我国自主研发的高涵道比涡扇喷气式发动机,基于技术限制及成本,部分组件由国外公司制造,但十余年来,我国一直在研制国产CJ-1000A元件,以提高此款发动机的国产化程度。


2007年2月,国务院在批准大型客机研制重大科技专项立项的同时明确开展国产大飞机发动机的研制。


2009年1月18日,国产大飞机发动机研制主体及项目总承制单位中航工业商发在上海成立,向大飞机“中国心”全力攻坚。


2011年6月29日,在广泛征求各方面意见的基础上,综合借鉴国外知名商用航空发动机公司的命名规则,正式将国产大飞机发动机命名为“CJ-1000A”,中文名称为“长江”发动机。


据介绍,C是China(中国)的首字母,是国产大客飞机代号“C919”的首字母,又是Commercial(商用)、Civil(民用)的首字母。J为Jet Engine(喷气发动机)的首字母;1000A,代表发动机推力等级在10000kgf-19999kgf,A是第一型产品代号。


“CJ-1000A”发动机是我国第一款商用航空发动机产品,是装配国产大飞机的惟一国产动力。


取名“长江”,寓意大客发动机CJ-1000A产品研制开创中国商用航空发动机产业发展先河,象征着中国商用航空发动机的无穷动力和源远流长。


中航商发表示 将以CJ-1000A发动机产品开发为切入点,技术、产品、 产业并举,举全国之力、 汇全球之智、构筑大发动机伟业,为人类绿色动力事业作出一份贡献。


2019年6月,中国航发为第三台CJ-1000A试制机测试所需的讯号传输系统进行招标,表示当时已至少制成三台同款发动机,并正进行核心机测试。其后,引擎控制系统的测试亦于同年11月开始。


2020年6月,中国飞机强度研究所开始进行改建工程,以提供场地进行CJ-1000A的下一阶段测试;同月,CJ-1000A在浙江省涡轮推进院完成鸟击测试。其后,CJ-1000A开始进入试制阶段,而第三台试制机亦于8月加装无线电遥测系统,为安装至阎良试飞院的IL-76测试平台作准备。


航发集团的目标是于2022年至2025年间让CJ-1000A获得国家认证并交付使用,以取代C919目前使用的CFM国际LEAP发动机。

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点火测试中的C919客机LEAP-1C发动机


航空发动机从原理上讲其实并不特别复杂,空气经过风扇进入后,经过压气机压缩,再经过燃烧室和燃料混合燃烧膨胀,然后经过尾喷排出做功,通过牛顿第三定律,产生巨大的推力。然而由于工况恶劣、热端燃烧工作温度高、同时还要承受极其严酷的力学考验,给航空发动机的材料水平带来了极高的要求和考验。可以说,航空发动机最难的是材料,特别是叶片材料。


我们经常讲涡轮前燃温度,这是衡量发动机性能好坏的一项关键指标,世界上最先进的航空发动机F119,涡轮前燃温度达到了惊人的1960K(开尔文)。而涡轮前燃温度里指的“涡轮”,其实就是航空发动机核心机中最重要的“高压压气机涡轮叶片(简称高压涡轮叶片)”,它也是整个发动机中工作最恶劣,技术要求最高的热端组件之一。


高压涡轮叶片工作温度那么高,已经大大超过了一般金属所能承受的物理极限,怎么解决?一方面需要采用散热技术,另一方面就要寻找能够承受极高温度的高温合金材料。

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目前主流的航空发动机,譬如中国的“太行”发动机,使用的是镍基高温合金,这种稀有金属材料掺混进合金中,虽然使得航空发动机的叶片耐热能力显著增强,但另一方面也显著推高了航空发动机材料的造价,另一方面,稀有金属材料的产能供应有限,战时大规模生产可能受到很大限制,不是长久之计。


为了解决镍基高温合金价格昂贵等难题,中科院金属所的科研人员们瞄准了一种物美价廉的替代材料——钛铝合金材料。实际上,钛铝合金材料在航空发动机领域并不是新鲜产物,很早它就被航空发动机专家们用于发动机零部件的制造,用它来替代高价高温合金作“热端部件”,也不是没有尝试过。


钛铝合金相对于镍基高温合金,首先是物理性能上有一定优势,它的比强度、比刚度和比弹性模量都很高,用通俗点的话说就是它既结实又轻,航空发动机压气机转子部件用了它,不仅能够满足严苛的力学性能要求,而且还能进一步降低发动机的重量,提高其推重比,进一步提升发动机性能。


然而,此前的钛铝合金材料,温度都做不到太高,譬如Ti-6Al-4V型钛合合金,工作温度达到350℃,Ti6242牌号钛铝合金的工作温度达到500℃,而用于航发的第一代粉末高温合金早在上世纪70年代工作温度就达到了650℃,目前主流的第三代粉末高温合金,其工作温度最高已经达到800℃。这是此前钛铝合金材料所达不到的。


为了解决这一难题,一方面,要通过新的冶金技术,发现新的配方,进一步提高钛铝合金材料的耐热性能,另一方面,则通过创新性的给钛铝合金材料通过复杂的表面反应,形成耐高温高性能涂层的办法,来解决耐热难题。


中国科学院金属研究所钛合金项目团队,用10年的时间,解决了钛铝合金应用于热端高压涡轮叶片部件的难题。


根据报道,这次中科院金属研究所研制的钛铝合金的发动机叶片,将首次用于国内的C919大飞机的配套发动机CJ1000,将实现发动机的涡轮盘和涡轮叶片大幅度减重,大大提高发动机的效率。


而在此之前C919使用的是由美国通用电气和法国赛峰合资成立的CFM研发的LEAP-X1C发动机。CJ1000,既是进口发动机的备用备选方案,同时也是必要时候我们完成进口替代、不被别人卡脖子的“撒手锏”武器。


目前,钛铝合金叶片项目已经落户江苏太仓高新区,钛铝合金叶片的生产已经有序展开,并且钛铝合金叶片已经通过了震动疲劳考核,下一步就是装机CJ1000A考核。

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据中科院钛合金项目研究员杨锐介绍:目前长江发动机方面,CJ1000A进展非常快,CJ2000也正在加紧攻关,我们希望尽快把CJ1000A和CJ2000发动机做出,来由我们自己的发动机配套我们的大飞机。


当然,中国航空业界并不是没有独立设计、制造高性能航空发动机的能力,包括歼-10、歼-11、歼-20在内的先进战斗机早就大范围应用了国产发动机,性能也并不比外军同类产品差到哪里去。


但是,民用大飞机的“先进”同军用完全是两个概念。军用航空发动机或许要侧重于最大推力、推重比等性能,但民用发动机却侧重在可维护性、燃油经济性、使用寿命等领域,一台在军用领域广受赞扬的发动机到了民用领域可能就变成了“噪音过大、油耗过大”的次品。


因此,说民用大飞机心脏研发难度超过军用,并不为过。


也正因为如此,自冷战结束以来,全世界大飞机制造业几乎早就是用着同一套供应链,空客、波音两大巨头只不过是负责整合与研发,将大部分的制造,甚至是小部分子系统的设计工作都外包出去:譬如日本川崎、三菱就都同时承接了波音和空客两大巨头的碳纤维零件制造工作,某些工艺就连波音、空客自身都没有掌握;同样的,德国MTU也参与到CFM的LEAP系类发动机生产当中,有些部件美国人也造不出。


随着“禁运”越来越频繁地成为美国人手中拿起又放下的大棒,曾经的全球化布局也已经不再是能支撑起中国大飞机腾飞的基础了:从哪怕一个螺丝都有可能被禁运的长远角度来看,无论是“全自主知识产权自研”的CJ-1000A涡扇发动机,还是“世界制造,中国整合”的C919大飞机,终究都不得不选择一条艰难险阻的道路,那就是从零开始,重新打造属于中国自己的大飞机配套系统。

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