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文/燃气轮机动力源
IHI瑞穗工厂交付的XF9-1发动机
即使XF9-1是原型发动机,它的推力也超过15吨,等于或超过世界上其他现役的战斗机的发动机推力,例如美国的F-15和俄罗斯的苏-35。过去,..无法独自开发出世界一流的战斗机发动机。..在FS-X计划(诞生了后来的F-2战斗机)上而无法占据主导权的原因之一,就是无法自行研发发动机并且不得不依赖美国。
胎死腹中的三菱FS-X早期设计方案,计划采用双发F404作为动力
现在,..能够完成战后70多年来做不到的事情,它将是..航空工业历史上的划时代的事件。看着XF9-1的性能表现,我认为有许多航空从业者沉浸在深刻的情感当中,..的喷气发动机如今也能有如此非凡的性能:
XF9-1和其他主要国家战斗机发动机性能对比
事实上,..在航空喷气发动机行业拥有许多优秀的技术,这其中包括很多..独有的技术,并为世界航空喷气发动机的性能提升做出了贡献。除了少数例外情况,比如军用发动机领域,现在没有配备..技术的喷气发动机的航空公司无法在空中飞行。
回顾当前的情况,则更能体现XF9-1的重要性。
..正在接管世界喷气发动机
世界航空喷气发动机领域,美国的通用电气(GE),普拉特·惠特尼(PW),英国的罗尔斯·罗伊斯(RR)三家公司占统治地位。不幸的是,在主流的民用航空发动机领域,还没..公司有制造出自己品牌的喷气发动机。
然而,主流的民用航空发动机由..零件,..技术制成。这样的例子不胜枚举。 似乎..正在接管世界各地的发动机。
..重工公司参与通用电气(GE),普拉特·惠特尼(PW),罗尔斯·罗伊斯(RR)的发动机的研发和生产。像成东京田机场或羽田机场里面这的大型民航飞机发动机有10%到20%的部件在..生产。
IHI瑞穗工厂正在组装的高涵道比民用发动机的低压涡轮段
例如,在..航空公司使用的波音787的GEnx发动机中,..制造商生产如高压压气机和低压涡轮等部件,参与份额超过15%。
川崎重工生产的A350用Trent-XWB发动机中压压气机
此外,..在空客A320和波音737的新型号中安装的PW1100G发动机中负责生产低压压气机,燃烧室,风扇外机匣等部件,参与份额达到23%。
..在其中许多部件上开发成本和生产能力多样化方面都很强大,而不仅是可有可无的角色。例如,..IHI公司在生产诸如喷气发动机低压涡轮,压气机和连接风扇的主轴等方面有优势。特别是在世界范围内,IHI在生产超过3米长的高难度航空发动机主轴份额达到了70%。
在..,支撑主轴的轴承份额也在增加。近年来,NTN已收到PW1100G和Trent-XWB发动机轴承的订单。PW1100G是普拉特·惠特尼(PW)公司生产的最大发动机,而Trent XWB也是罗尔斯·罗伊斯(RR)生产的主要大型发动机。
..同样也有主轴材料生产实力。大同特种钢生产发动机的主轴材料,同时用于787飞机的GE和RR发动机。在竞争对手之间能同时获得业务,其意义非常瞩目。
说到材料,众所周知,自波音787发展以来,..的碳纤维在民用航空中非常活跃。用于飞机的碳纤维,三家..公司(东丽,东邦,三菱丽阳)在世界上的总份额达到70%。碳纤维也有助于提高喷气发动机的性能。
三菱重工生产的波音787一体成型碳纤维复合材料翼
客机使用的喷气发动机风扇由钛制成。钛比铝合金具有更高的强度,因此特别适用于需要强度的部件。钛的比重为4.5,比钢的7.8比重轻,但比铝合金的比重2.7高,而碳纤维复合材料的比重小于2,通过运用碳纤维复合材料代替钛可以实现相当大的重量减轻。
如果钛风扇在飞行中脱落,也要用一个坚固的外壳(如风扇包容机匣)围绕它,这样飞散的风扇就不会飞入客舱。当风扇是钛合金时,风扇包容机匣通常也采用钛合金。而对于大型发动机,直径可超过3米,风扇包容机匣比风扇本身都要重。用碳纤维复合材料代替风扇和风扇机匣可以减轻数百公斤的重量。
PW1100G的碳纤维复合材料风扇包容机匣,由IHI研发设计制造
采用碳纤维复合材料制造风扇不仅减轻了重量,而且增加了形状自由度,从而提高了风扇的效率。从前面看着喷气式发动机风扇,以前多看到的是金属风扇。近年来,使用碳纤维的黑色风扇正在增加。这是..改善喷气发动机性能的重要组成部分。
GE9X是世界上最大直径的发动机,采用复合材料风扇、CMC等先进技术,IHI占10.5%的份额
Mori Seiki,Yamazaki Mazak,Okuma,Makino制造的铣床等机床是制造喷气发动机零件必不可少的机器。..喷气发动机零件制造商不仅使用..的机床,GE,PW,RR也使用..制造的机床。看看这些工厂的照片,这些东西可以反映出..机床的实力。
纪录片《10号机密》中成飞集团使用的fanuc的五轴数控系统
进军到喷气发动机的核心
..团队在各种场合参与世界喷气发动机的生产,但是作为喷气发动机核心的高压涡轮很则很难处理。..之前虽然有零件供应的情况,但没有生产主流喷气发动机的核心部分的例子。
发动机的核心部分正是航空发动机巨头开拓性技术发展的重点。理论上,从燃烧室进入涡轮机的高温高压气体的温度越高,喷气发动机的性能越高。即使在民用发动机领域,增加涡轮机入口温度也可提高燃油经济性,因此它是喷气发动机和燃气轮机发展的核心主题之一。
单独提高涡轮机本身的耐热温度是不够的,必须要通过诸如耐热涂层和冷却的组合技术提高涡轮机的耐热温度。..的高温材料技术是提高涡轮机入口温度的世界顶级技术之一。
..研发的五代耐热单晶材料性能,XF9-1采用的是第五代,目前最新一代是六代TMS-238
目前涡轮叶片本身由称为超合金(单晶)的金属制成,主要成分是将各种稀有金属添加到镍中。这种合金技术..非常出色。波音787使用的Trent-1000发动机中暴露在最严苛工作环境下的涡轮叶片就是由..国家材料科学研究所(NIMS)开发的超合金制造。
另一种..耐热材料是碳化硅纤维。其中碳化硅纤维用碳化硅基质硬化的纤维增强陶瓷(SiC / SiC复合材料)用于喷气发动机部件。
..研发的CMC低压涡轮静子导流叶片和转子叶片
镍基高温合金中的镍和稀有金属很重,因此比重达到8到9。耐热温度只能达到1150摄氏度或更低。相反,SiC / SiC复合材料具有约3的低比重,并且材料本身的耐热温度高达1300度。所以用SiC / SiC复合材料代替高温合金具有降低燃料消耗和减轻重量的作用。而且由超合金和SiC / SiC复合材料制成的零件使用环境超过1600度。镍基高温合金零件必须冷却到1150度以下。另一方面,在SiC / SiC复合材料中,可以只冷却到约1300度。由于发动机需要引入压缩空气用于这种冷却,而燃料则因为通过额外的空气压缩而被消耗。如果可以省略这部分冷却,则相应地改善燃料消耗。如果将发动机高温部分的材料改为SiC / SiC,那么就可以将燃油经济性降低几个百分点。
因此,碳化硅纤维作为下一代高温喷气发动机的材料备受期待。目前,碳化硅纤维仅在..商业生产。 ..碳素和宇部兴产公司将它们称作为Nicaron和Tyranno纤维并且独家供应市场。
SiC纤维还是一种非常重要的隐形材料,F35和F22均大量使用..独家商业化生产的SiC纤维
SiC / SiC复合材料的成本很高。据说价格与同等重量的黄金差不多。但是尽管局限很多,其在发动机高温部分使用的优点还是难以舍弃的,已经有合资企业CFM国际公司采用部分SiC / SiC复合材料,研发出新一代的波音737,空客A320使用的LEAP发动机。
LEAP发动机采用的SiC / SiC复合材料涡轮罩环
尽管存在局限,碳化硅纤维有望成为下一代发动机性能改进的关键材料。正是这种期望,GE,Saffron正在与..碳素公司建立NGS Advanced Fiber合资企业并将此项业务垄断起来。
XF9-1是..喷气发动机技术的发展方向
..的工业技术支撑了世界喷气发动机的发展,自然XF9-1也会使用这些..技术。在XF9-1中,作为喷气发动机性能指标的涡轮机入口温度达到1800摄氏度。这是世界顶级水平。
当看到IHI将发动机交付的新闻稿时,主要到它提到了提高涡轮入口温度而使用“..独立研发金属材料”和“陶瓷基复合材料(CMC)”。“..独立开发金属材料”是一种耐热超级合金,以支持波音787的燃料经济性能。“陶瓷基复合材料”则是指SiC / SiC复合的材料,这是目前只有..能商业生产的材料。
XF9-1是..向世界孕育出各种先进发动机技术的集大成者,然而,XF9-1的重要性不仅限于此。..拥有优秀的部件技术,但缺乏完整开发先进发动机的经验。在这之前,..独立研发的战斗机发动机只有“XF5-1”,推力为5吨。虽然这款发动机看起来确实像是战斗机引擎,但仅以5吨的推力推动一流的战斗机飞行是不够的。
而XF 9-1项目中开发了发动机整机,可以产生超过15吨推力推动一流的战斗机飞行。除了拥有出色的部件技术外,..还创造了完整研发世界一流发动机的记录,这难到不是一个非常有前途的事件吗?
与此同时,尽管XF9-1是..首次研发出的世界级的战斗机发动机,但它仍然是原型发动机而不是实用发动机。XF9-1追上用于F-22的F119发动机,其实是30年前研发的发动机。
XF9-1未来的发展取决于..下一代战斗机的研发投入和方式
离XF9-1上飞机进行实际飞行之前还有很长的路要走,是否有机会继续发展也不确定。另外使用XF9-1的核心部分为客机制造发动机,也比制造XF 9-1这种战斗机发动机更加困难。除开要新研发风扇和低压涡轮外,获得民航发动机认证将和三菱飞机的MRJ一样面临困难。此外,能否以有竞争力的价格出售,这对没有销售实绩的..发动机也是挑战之一。如果说研发XF9-1后,..就能够向世界销售喷气发动机,这明显不是事实。现在说..已经成为世界领先的喷气发动机国家已经太过分了。
然而,..的喷气发动机行业确实在稳步提高其技能。 XF9-1将成为..喷气发动机技术发展的一个重要里程碑。我期待着未来的发展。
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