唱唱反调:中国航空发动机不行还真不是材料问题

唱唱反调:中国航空发动机不行还真不是材料问题

我相信几乎所有的关心中国航空发动机发展的旁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

这个说法颇有道理,也很有戏剧效果,但是我实在不能认同这种观点,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


发动机故障往往最直接的表现都是材料性能不足

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。

航空发动机上的叶片断裂

再比如说发动机中比较严重的涡轮破裂、包容失效事故。

航空发动机涡轮破裂事故

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,而是处于一个振动的环境中。在这样的环境下,零件受到的力是“动态”的,忽大忽小,而在这样的振动应力作用下,材料的破坏要容易得多。最简单的例子就是:你单凭蛮力拉,拉不坏一根钢丝,但是只要反复折两下,钢丝就坏掉了。

你拉不断钢丝,但是只要折两下钢丝就断了

所以,航空发动机的故障一般都是零件在复杂的工作状态下,材料受不了巨大的振动应力,所以才发生了裂纹和断裂

但是,这归根结底不是材料的问题,也不是发展材料可以解决的

有人就要说了,材料受不了这么大的振动应力,那你就发明出来能够承受得了这么大振动应力的材料,那不正说明了航空发动机造不好是材料问题吗?

这个说法很对,但是我得到的结论却正好相反,我举个极端的例子大家就明白了:

一个人开枪打死了另一个人,被打死的那个人死亡的直接原因是什么?直接原因是头骨不够硬所以被子弹打穿了。那么是不是说,责任都在被打死的人,以后防止枪杀案的方法就是大家去想办法锻炼增强自己头骨的硬度呢?

明眼人一看就知道,这种说法是非常荒谬的,但是荒谬在哪儿呢?原因就是,头骨你再怎么锻炼都不可能挡住子弹,所以唯一防止人被枪打死的方法就是抓住开枪的那个人。

而放到航空发动机里面,我们也要去寻找那个开枪的人,去找造成材料内部振动应力大的根源,而不是去责怪材料为什么不够强。

发动机中的振动不是普通的振动,而是“共振”。所谓的共振,就是如果你用一个固定的频率快速敲击一个物体(不同的敲击频率),就会发现在某一个敲击的速度下这个物体居然回越振越厉害,最后根本就停不下来。

比如说我们推秋千,会推推秋千的人就会知道当你用某一个频率反复推秋千会越荡越厉害,所以推到一定的程度你必须要停下来,不然就可能出危险——而这就是共振。

秋千中的“共振”

下图中的直升机就是遇到了共振。通过观察这个动图我们就可以发现:一开始结构的振动还不算大,但是后面却越振越厉害,最后整个飞机都碎成了渣。这也就是说在共振状态下,因为振动的幅度是没有上限的(因为越振越厉害),所以理论上再厉害的材料遇到共振都一定会坏

直升机上的共振

简单说,不把振动的问题解决,只发展材料是没用的。那种“中国只要有了好材料发动机就能够造出来”的论点,只是欺负外行人不懂。

避免航空发动机中的振动才解决问题的根源

像刘大响这样的航空发动机院士说出来过“一代新材料、一代新型发动机”[1],但是这显然是 说材料是发动机的上限,我们现在面临的问题根本就不是上限问题。

为了解释这一点,我说一段很有意思的故事:

当发动机涡轮温度提高XX度时,涡轮寿命下降一半,所以这么多年来大家都在想改进材料把这寿命补回来。努力了几十年,从第一代进化到第N代材料,终于让涡轮寿命回来了(搞材料的朋友肯定知道在快到2000K这个量级提高金属性能有多难)。
结果一看转子振动太大,为了防止转子跟机匣碰上,叶尖间隙放宽0.1毫米,导致压气机效率下降X%,涡轮前温度提高2*XX度(所以别看某些发动机涡轮前温度高得离谱,实际上有可能是自己作的)。
材料:我X。

所以说贴近航空发动机一线的朋友总挂在嘴边的一句话:“振动是万恶之源”——而这句话是说的发动机的下限。恶不除,材料数十年发展的那点儿红利连牙缝都不够塞。

而造成发动机中产生“振动”的原因是多种多样的,比如说高速转动的转子如果设计的不好就会发生共振。

转子的振动

另外,气流的流动、燃料燃烧时的波动都会造成发动机中零件的振动,比如说下图就是在模拟发动机叶片的振动(图片是通过高速摄像机拍摄的)。

高速摄像机下的叶片振动

所以想要避免发动机的故障,就是要解决这些振动的起源,从根源上就把发动机的故障给排除掉。而解决这些故障靠的是什么?是改进材料吗?不是,是设计

比如说,发动机中的转子,你设计成这个形状它就会在工作状态下振动;你设计成那个样子就不振动了。再比如说,发动机的叶片有一种技术叫做“错频减振”,意思就是我让一个轮盘上的很多个叶片之间有轻微的差异,防止一个叶片振动、带动其他所有叶片振动。以上这些措施,都不需要改变材料,只需要改变设计就行了。

一个轮盘上的叶片互相之间都是有细微差别的

所以说,“设计能力”是解决这些发动机问题的最根本的措施。改进材料确实是可以增强发动机性能的,但是属于“锦上添花”,设计能力提不上去,都是白瞎。

装配工艺本质也是设计出来的

最后,针对一些旁友说“工艺问题才是发动机的根本问题”,我也要解释一下。

航空发动机中的工艺问题范围很广,比如说材料表面处理、涂层、装配工艺等等,其他方面我不是很了解,但是至少装配工艺有很大一部分是设计出来的

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。所以你看国外的很多发动机装配车间里没有什么复杂的仪器和设备,绝大部分装配步骤一把普通的力矩扳手按照设计好的装配流程拧就行了,要多简单有多简单。

国外发动机装配车间中使用装配装备

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。

我国航空发动机的设计生产目前是希望能够做到次优秀的设计:装配紧度大、参数要求严、买最好的设备、每装一个零件就做一次检测,不惜一切代价只求产品千万合格就行。但是,很遗憾,还一直还处于最次状态——而这就妥妥是设计部门的锅了。


总结

航空发动机中的故障直观体现是材料的破坏,但是究其根源是航空发动机设计不到位让内部产生了较大的振动。在振动超标的情况下,提高材料的性能根本就没有意义。

所以制约中国航空发动机发展的,不是什么“材料问题”,而是真真正正的“设计问题”,我们的设计根本就没有能够避免这些振动的发生,空谈材料实在是头痛医头、脚痛医脚,结果只能是事倍功半。

参考

  1. ^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.
发布于 2019-12-01