寫在前面

當我們還為航空在中國科技界的地位而奮爭時，世界已悄然形成了一個遠比飛機行業(yè)更嚴苛、更高度壟斷、更嚴密技術(shù)封鎖的全球航空發(fā)動機格局。

美英法德日等西方國家通過其寡頭企業(yè)，壟斷了世界航空發(fā)動機和燃氣輪機（本文暫不涉及燃氣輪機）市場。美英法寡頭企業(yè)，包括其合資公司，占領(lǐng)了世界航空發(fā)動機市場的70%，而在新機市場上的價值份額更高達90%。

全世界能造飛機的公司十數(shù)家，而獨立的航空發(fā)動機供應商只有幾家。

美、俄兩國的航空發(fā)動機底蘊深厚，但俄羅斯這只“老虎”一打盹，就被西方遠遠甩在身后，尤其在民用航空發(fā)動機方面，俄羅斯在世界市場幾無份額。

世界大型民用航空發(fā)動機

美國通用電氣（GE）

美國普拉特·惠特尼（PW）

英國的羅爾斯·羅伊斯（RR）

以及這三家公司同法國賽峰集團（Safran）相互間合資成立的：

IAE（RR/PW）

EA（GE/PW）

這些企業(yè)具有獨立研制航空發(fā)動機整機的能力，幾乎控制了全球大型民用航空發(fā)動機的核心技術(shù)研發(fā)、總裝集成、銷售及客戶服務等全產(chǎn)業(yè)鏈。

軍用和小型航發(fā)領(lǐng)域

法國斯奈克瑪（Snecma）

美國霍尼韋爾（Honeywell）

德國MTU

意大利Avio

俄羅斯土星

俄羅斯禮炮公司

它們具有較完整的生產(chǎn)能力，除了各自領(lǐng)域的整機研發(fā)與市場能力外，還是為頂級企業(yè)提供大部件和核心機部件的一級供應商。

再下一級的供應商

日本三菱重工

日本川崎重工

日本石川島播磨重工

韓國三星科技公司

以日韓企業(yè)為代表的供應商擁有強大的零部件加工制造能力，主要為上一級企業(yè)提供發(fā)動機零部件產(chǎn)品。

西方國家為長期保持在航發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)先和優(yōu)勢地位，在政府和企業(yè)層面，采取了許多措施。在研發(fā)投入、項目投資、產(chǎn)業(yè)鏈控制、知識產(chǎn)權(quán)保護、技術(shù)輸出控制等方面，構(gòu)筑了極高的產(chǎn)業(yè)門檻，封堵其他國家和企業(yè)的發(fā)展與追趕，更不要說后來居上。

這就是航空發(fā)動機的世界格局。面對這樣一個格局，我們只能從民族大義、國家利益出發(fā)，擔起艱難的歷史使命。

如同在大型民機領(lǐng)域，不管多難，我們也要像變現(xiàn)在的A（Airbus）＋B（Boeing）兩霸并立為A＋B＋C（Comac）三極鼎立的新格局那樣，在航發(fā)領(lǐng)域，我們也要加入世界航空發(fā)動機“強人俱樂部”，讓世界的東方形成一極，從而逐步改變航空發(fā)動機世界格局，盡管這個進程將十分漫長。

未來20年軍用發(fā)動機需求預測

綜合“產(chǎn)研智庫”和“中商產(chǎn)業(yè)研究院”發(fā)布的兩份預測報告，進行必要修正后，未來20年中國軍用航空發(fā)動機總需求量22000臺（其中出口軍機需要量1000臺），價值600億美元（約4000億RMB）。年平均1100臺，價值200億RMB。按價值計，新軍機裝備、老軍機維護和直升機各占80%、5%和15%。

新戰(zhàn)斗機發(fā)動機單價按高低型別均價計算。新機裝備比按1.15、換發(fā)次數(shù)按1計算。部分數(shù)據(jù)作歸整處理。軍機發(fā)動機原則上應全部使用國產(chǎn)產(chǎn)品，或至少占比90%以上。

未來20年中國客/貨機用發(fā)動機需求預測

基于空客和波音兩公司對未來20年中國新增客/貨機數(shù)的預測，分別為5363架/8300億美元和6330架/9500億美元。取均值后，按發(fā)動機占飛機價值的30%計，未來20年民用航空發(fā)動機市場為2580億美元，發(fā)動機整機約5700臺?？紤]到國產(chǎn)民用發(fā)動機處于成長期，力爭分享20～30%份額，即1100～1700臺，約值500～770億美元。

飛機誕生百年有余，從飛行36米到環(huán)球飛行，人類航空技術(shù)不斷前進，而動力的不斷進化才使更多飛行方式成為可能，那么飛機的發(fā)動機有多少種呢？今天我們來簡單粗暴的列舉一下，爭取讓你秒懂。

首先，得到大量應用的航空發(fā)動機簡單分類只有兩種，即“活塞式發(fā)動機”和“燃氣渦輪發(fā)動機”，燃氣渦輪發(fā)動機也常被簡單稱為“噴氣發(fā)動機”。

活塞式發(fā)動機系列

活塞式航空發(fā)動機與現(xiàn)在常見的汽車發(fā)動機原理一致，依靠燃氣在氣缸內(nèi)爆燃，推動活塞做工，所有活塞式發(fā)動機都依靠此原理?；钊桨l(fā)動機根據(jù)不同的氣缸排列形式分為以下幾種。

星型活塞式發(fā)動機

早期飛機多采用氣冷方式給發(fā)動機降溫，說白了就是直接給氣缸吹風，星形布置的氣缸正好可以使每個氣缸均勻散熱。

▲星型發(fā)動機示意圖

▲星型發(fā)動機及螺旋槳

星形發(fā)動機自1903年就被使用在飛機上。

星形發(fā)動機有一個缺陷，就是氣缸越多，功率越大，直徑就越大，因此飛機只能越粗……這意味著阻力變大。于是后來出現(xiàn)了直列式發(fā)動機和V型發(fā)動機。

▲直列發(fā)動機原理示意

直列式發(fā)動機

直列式發(fā)動機與今天的汽車發(fā)動機基本一致，氣缸站成一排，縱向安裝在機頭時，明顯比星形發(fā)動機纖細不少。但直列式也有缺點，氣缸越多，發(fā)動機越長，如果想和星形一樣使用7缸，9缸，那長度簡直不可理喻。于是緊湊的V型發(fā)動機出現(xiàn)了，讓氣缸站成兩排。

V型發(fā)動機

于是V形發(fā)動機在長度增加不多的情況下，氣缸數(shù)可以成倍增加。

水平對置發(fā)動機

把V型的夾角變成180度，還可以做成水平對置發(fā)動機。

噴氣式發(fā)動機系列

渦輪噴氣式發(fā)動機是使用燃氣爆燃膨脹后，直接向后噴出做功的一種發(fā)動機。

▲渦輪噴氣發(fā)動機示意圖，渦輪噴氣發(fā)動機簡稱渦噴發(fā)動機，其歷史也很悠久。

1937年，世界上第一個渦輪噴氣發(fā)動機就開始運行了。

渦噴發(fā)動機啟動時需要先將發(fā)動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到可運行轉(zhuǎn)速，渦噴發(fā)動機由前部壓氣機進行空氣壓縮，壓縮空氣在燃燒室與然后回合點燃，燃氣向后噴出的同時推動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪靠轉(zhuǎn)軸與前部的壓氣機連接，周而復始即可連續(xù)運轉(zhuǎn)。

▲渦噴發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)的狀態(tài)

很容易就能發(fā)現(xiàn)，渦扇發(fā)動機和渦噴發(fā)動機兩者之間的區(qū)別。渦噴只有一個空氣通道，專業(yè)上叫做“涵道”，而渦扇發(fā)動機卻有兩個空氣通道。也就是說，渦噴發(fā)動機是單涵道發(fā)動機，而渦扇是雙涵道發(fā)動機。

渦扇發(fā)動機分為內(nèi)涵道和外涵道，內(nèi)涵道原理與單純的渦噴發(fā)動機無異，稱為核心機。核心機驅(qū)動前方一個大風扇，推動氣流向后，再加上外部整流罩行程外涵道。

發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時，外涵道與內(nèi)涵道空氣流量的比值叫做涵道比。規(guī)律是，涵道比越大越省油，經(jīng)濟性越好，高涵道比的發(fā)動機在亞音速時有非常好的能效，所以它廣泛地運用于客機、運輸機等。

高涵道比的發(fā)動機，主要推力不是來自于向后噴出的高溫燃氣，而是來自于外涵道高速向后噴出的空氣。

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機也大多采用渦扇發(fā)動機，只是，為了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的發(fā)動機。

▲渦槳發(fā)動機工作原理示意圖

渦輪螺旋槳噴氣發(fā)動機，簡稱渦槳發(fā)動機。

渦槳發(fā)動機的本質(zhì)類似于渦噴發(fā)動機接上一個減速器，并帶動外部的螺旋槳。

渦槳發(fā)動機通常用在小型或低速的亞音速飛機上。

▲同軸反轉(zhuǎn)螺旋槳示意圖

戰(zhàn)斗民族的戰(zhàn)略轟炸機圖-95使用渦槳動力，雙層對轉(zhuǎn)螺旋槳，把渦扇發(fā)動機飛機的速度推到了925公里的高亞音速，是個比較極端的例子，也是目前噪音最大的轟炸機。大多數(shù)渦槳發(fā)動機飛機速度在800公里以下。請加微信公眾號：工業(yè)智能化(robotinfo) 馬云都在關(guān)注

渦槳發(fā)動機的燃油效率通常高于渦扇發(fā)動機，但它也不是盡善盡美，原因之一是，渦槳發(fā)動機上多了一個減速器，也就是變速齒輪。

變速齒輪的存在一是增加了發(fā)動機重量，二是多少會帶來一些功率上的損耗。

為此，一種不需要變速齒輪的發(fā)動機應運而生，它就是槳扇發(fā)動機。也可以把槳扇發(fā)動機理解為沒有外涵道的渦扇發(fā)動機。

槳扇發(fā)動機加雙螺旋槳對轉(zhuǎn)就變成這個樣子，由于槳扇發(fā)動機的螺旋槳與發(fā)動機同速，因此槳扇的螺旋槳轉(zhuǎn)速比渦槳發(fā)動機高得多，帶來更大動力，更高燃油經(jīng)濟性的同時，也因為轉(zhuǎn)速的大幅增長槳扇發(fā)動機的噪音也十分可怕，一般不會用在需要舒適安靜的客機上，目前基本上只有軍用運輸機在使用。

槳扇發(fā)動機的螺旋槳直接裝在發(fā)動機中心的主軸上。因此螺旋槳轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同，噪音也十分巨大。

▲槳扇發(fā)動機也有螺旋槳在后邊的。

GE36槳扇發(fā)動機起初打算用于客機，能進一步提升燃油經(jīng)濟性，但由于噪音巨大，最終被放棄了。

渦輪軸發(fā)動機顧名思義就是使用軸來傳輸動力。這種發(fā)動機一般適用于并不需要直接提供空氣推力的航空器，比如直升機。

▲直升機的傳動原理其實非常復雜，但這個簡單的原理圖更容易理解渦輪軸發(fā)動機的使用方式。

直升機的渦輪軸發(fā)動機就是將發(fā)動機的功率，通過傳動軸輸送給主旋翼，再由主旋翼轉(zhuǎn)動提供升力，因此這與一般活塞式發(fā)動機的輸出類似，有很多坦克和軍艦也使用渦輪軸發(fā)動機，比起一般的柴油機和汽油機，渦輪軸發(fā)動機重量更輕而功率更大，是非常不錯的動力源。

▲（a）渦噴發(fā)動機（b）沖壓發(fā)動機，可以看到?jīng)_壓發(fā)動機省去了一系列的壓氣機和渦輪結(jié)構(gòu)，變得更加輕巧，但只有高速下可以正常運轉(zhuǎn)。

沖壓發(fā)動機從工作原理來說和渦噴發(fā)動機的一樣的，但實際上由于省去了所有渦輪結(jié)構(gòu)，沖壓發(fā)動機又不能歸入燃氣渦輪發(fā)動機的范疇。

沖壓發(fā)動機去掉了前部的一連串壓氣機結(jié)構(gòu)。因為，飛行器飛得越快，迎面而來的空氣就越快，當達到高超音速時，空氣自然被壓入進氣道，并形成高氣壓。高壓空氣進入燃燒室，混入燃油，劇烈燃燒并向后高速噴出以得到動力，與渦噴發(fā)動機原理無異。需要說明的是：沖壓發(fā)動機只有在非常高的速度下才可以運行。

目前成功使用的例子是美國的超高音速偵察機SR-71“黑鳥”，黑鳥可以達到3倍音速，在3倍音速的狀態(tài)下，它的發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)，改變?yōu)闆_壓發(fā)動機模式運行。

現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠

航空發(fā)動機和地面燃氣輪機被譽為現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”, 是國家綜合實力的重要標志之一。提高航空發(fā)動機的性能就必須提升其關(guān)鍵部件——渦輪葉片的性能。渦輪葉片由于處于溫度最高、應力最復雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件，并被譽為“皇冠上的明珠”。渦輪葉片也稱動葉片，是渦輪發(fā)動機中工作條件最惡劣的部件，又是最重要的轉(zhuǎn)動部件。

先進航空發(fā)動機的燃氣進口溫度達1380℃，推力達226KN。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉片部分承受拉應力大約140MPa；葉根部分承受平均應力為280~560MPa，相應的葉身承受溫度為650~980℃，葉根部分約為760℃。未來發(fā)動機葉片的鑄造工藝直接決定了發(fā)動機的性能 ,也是一個國家航空工業(yè)水平的顯著標志。?

除了高溫條件,熱端葉片的工作環(huán)境還處在高壓、高負荷、高震動、高腐蝕的極端狀態(tài), 因而要求葉片具有極高的綜合性能,這就需要葉片采用特殊的合金材料(高溫合金)，利用特殊的制造工藝(精密鑄造加定向凝固)制成特殊的基體組織(單晶組織), 才能最大可能地滿足需要。

復雜單晶空心渦輪葉片已經(jīng)成為當前高推重比發(fā)動機的核心技術(shù),正是先進單晶合金材料的研究使用和雙層壁超氣冷單晶葉片制造技術(shù)的出現(xiàn), 使單晶制備技術(shù)在當今最先進的軍用和商用航空發(fā)動機發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前, 單晶葉片不僅早已安裝在所有先進航空發(fā)動機上，也越來也多地用在了重型燃氣輪機上。

渦輪葉片制造技術(shù)

渦輪葉片的發(fā)展經(jīng)歷了細晶強化、定向凝固和鑄造單晶三個階段。

半個多世紀以來，渦輪葉片的承溫能力從上世紀 40 年代的 750℃提高到了 90 年代的 1500℃左右再到目前的2000℃左右。而鎳基高溫合金單晶葉片與定向凝固葉片相比可提高工作溫度 25℃~50℃，而每提高 25℃從工作效率的角度來說就相當于提高葉片工作壽命 3 倍之多。應該說，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設計和加工以及表面涂層各方面共同發(fā)展所做出的共同貢獻。

現(xiàn)代航空發(fā)動機渦輪前溫度大大提升，F(xiàn)119 發(fā)動機渦輪前溫度高達 1900~2050K，傳統(tǒng)工藝鑄造的渦輪葉片根本無法承受如此高的溫度，甚至會被熔化，無法有效地工作。單晶渦輪葉片成功解決了推重比 10 一級發(fā)動機渦輪葉片耐高溫的問題，單晶渦輪葉片優(yōu)異的耐高溫性能主要取決于整個葉片只有一個晶體，從而消除了等軸晶和定向結(jié)晶葉片多晶體結(jié)構(gòu)造成晶界間在高溫性能方面的缺陷。

單晶葉片的凝固缺陷

單晶渦輪葉片是目前航空發(fā)動機所有零件中制造工序最多、周期最長、合格率最低、國外封鎖和壟斷最為嚴格的發(fā)動機零件。制造單晶渦輪葉片的工序包括壓芯、修芯、型芯燒結(jié)、型芯檢驗、型芯與外型模具的匹配、蠟模壓注、蠟模X 光檢驗、蠟模壁厚檢測、蠟模修整、蠟模組合、引晶系統(tǒng)系統(tǒng)及澆冒口組合、涂料撤砂、殼型干燥、殼型脫蠟、殼型焙燒、葉片澆注、單晶凝固、清殼吹砂、初檢、熒光檢查、脫芯、打磨、弦寬測量、葉片X 光檢查、X 光底片檢查、型面檢查、精修葉片、葉片壁厚檢測、終檢等制造環(huán)節(jié)。除此之外，還必須完成渦輪葉片精鑄模具設計和制造工作。

隸屬于聯(lián)合發(fā)動機公司（UEC）的“烏法發(fā)動機工業(yè)協(xié)會（JSC）”，這里正在制造航空發(fā)動機的渦輪葉片。

渦輪噴氣式發(fā)動機需要中空的渦輪葉片，只有高質(zhì)量的陶瓷芯是失蠟法鑄造的最好內(nèi)芯材料，它能夠在澆鑄金屬時依然能夠保持穩(wěn)定，在鑄件冷卻后有能通過化學工藝輕易溶解，在葉片中留下所需要的空氣通道

編輯：黃飛

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