中国航空发动机技术-80年代西方技术

近日，解放军报、人民网等官方媒体发表了对空军5719发动机维修厂的表彰文章。文章透露，中国空军成功将俄制AL-31F发动机的寿命从900小时延长至1500小时。那么空军5719维修厂是怎么对发动机进行延寿？这背后又有什么意义呢？网易军事为您作出独家分析。





航空发动机寿命概念解析

在中国现役航空发动机寿命管理中，采用总工作寿命和翻修寿命对发动机寿命实施控制，保证飞行安全。发动机总工作寿命是指发动机在规定条件下，从开始使用到最终报废所规定的总工作时数。

翻修寿命是指在规定条件下，发动机两次翻修之间的工作时间。发动机翻修寿命是基于发动机在外场使用的安全和可靠性要求而给定的，主要取决于航空发动机关键部件的使用寿命，比如承受1000多摄氏度高温的热端部件（涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室部件）。发动机工作到了规定的翻修期限必须从飞机上拆下送到维修厂对发动机进行分解、检查、更换磨损或损伤的零件，对转子进行平衡，然后重新装配，在经过性能调整试车，交付使用方检验后，重新出厂。

以中国歼10和歼11装备的俄制AL-31F系列发动机为例，AL-31F的总寿命是900小时。中国空军的主力航空兵部队通常每年的训练和值班飞行时数可以达到240-300小时，也就是说歼10和歼10战斗机通常每经过3-4年时间就需要更换全新发动机。AL-31F的翻修寿命比总工作寿命更短，大约为300小时，所以每架战斗机都需要有额外的备用发动机，以保证战备和训练不受影响。但如果一部发动机翻修寿命和总寿命过短，频繁更换，不仅影响战斗机的战备和训练时间，还会导致一款战斗机的全寿命使用费用激增。


1台美制发动机顶4台俄制发动机

中国空军从上世纪90年代初确定了攻防兼备的战略空军作战思想后，随即在1992年迎来了第一批从俄罗斯进口的苏27SK重型战斗机，其动力系统AL-31F发动机也随之走进国门。此后，中国自主研制的歼10战斗机也在国产发动机进度较慢的形式下，选择了俄罗斯的AL-31FN发动机。至此，AL31F系列发动机变成了中国空军主力战斗机的顶梁柱。

AL-31F系列发动机的翻修寿命为300飞行小时、总寿命900飞行小时。与俄罗斯AL-31F发动机同代的美国第三代涡扇发动机F100和F110的翻修期在800-1000飞行小时左右，总寿命在2000-4000飞行小时左右。大概来说，美国航空发动机的翻修期是俄罗斯发动机的2倍，总寿命是俄罗斯发动机的4倍。也就是说，美国的发动机1台顶4台俄罗斯发动机。

与美军相比，装备俄罗斯发动机中国空军的后勤压力和保障难度更加大。在和平时期，中国空军部队大概一年左右时间就需将战斗机上的发动机拆下，运回维修厂进行翻修，也许这不过是增加费用，影响战备而已。但是在战时，作战飞机的持续作战能力就会因为发动机寿命不足而大打折扣。以每天作战5小时计算，中国的歼10和歼11作战两个月就需要进行发动机翻修，而此时美国的作战飞机还没达到翻修期的一半。面对如此巨大差距，中国空军急需通过各种技术手段提高AL31F发动机的翻修期和总寿命。




根据解放军报的表彰文章，空军5719维修厂通过发动机维修再制造技术成功的将AL-31F发动机的翻修期改进到500小时，总寿命改进达到1500小时，基本相当于将中国主力战斗机维修和更换发动机的时间延长了一倍，为增加中国空军持续作战能力和减轻后勤负担做出了突出贡献。

但即便如此，AL-31F的翻修寿命、总寿命也仅及美国同代发动机的一半，相当于上世纪70年代的西方水平。就连“飞豹”战斗轰炸机所使用的国产“秦岭”发动机也达到了1000小时的翻修寿命，要知道“秦岭”发动机的仿制对象为英制“斯贝”MK202，这是一款比AL-31F落后一代的发动机。其实俄系发动机一直有寿命过短的问题，中国空军的歼10、歼11部队要摆脱持续作战能力受限的困境，就只能依靠国产发动机去实现了。

太行发动机寿命相当于AL-31F的3倍

在国产涡扇发动机中，与AL-31F同级的就是由于研制进度落后没有赶上歼10定型的太行发动机。根据资料推测，这款在中美蜜月期启动，按照国军标（很大程度上参考了美国军用标准）体系研制的发动机，翻修寿命达到了800-900飞行小时，总寿命在2000飞行小时左右。其中太行的翻修寿命竟然相当于原来涡喷7发动机（用于歼7战斗机）的总寿命，1台太行发动机可以顶3台AL-31F。




空军5719维修厂成功将AL-31F发动机延寿至1500小时，并突破了21项关键技术，其中三项关键技术更是直接与国产高推重比涡扇发动机相关。根据解放军报、人民网的报道，空军5719维修厂成功将AL-31F发动机延寿，主要得益于该
工厂突破了航空发动机再制造的21项关键技术。名词解析：“军用航空发动机再制造”是指对已经达到总寿命或大修时限的发动机进行完全分解，通过彻底清洗、探伤，遴选出符合要求的零部件，翻新成完全符合新发动机零部件。通过技术升级，“再制造”的航空发动机在性能和质量上可以达到甚至超过正常生产的新发动机。而且在零部件再制造方面，“再制造”技术比制造技术难度还要高。

通过对人民网文章的分析，笔者发现5719维修厂所掌握的再制造技术，不仅使众多已经报废的AL-31F发动机“起死回生”。其中高温合金涡轮叶片再制造、粉末冶金涡轮盘再制造和自动微弧等离子焊接，这三项关键技术更是与国产高推重比涡扇发动机相关。直接地说，按照空军5719维修厂所掌握的技术来判断，中国发动机工业已经超越俄制AL-31F，掌握了西方第3代军用涡扇发动机的制造技术。

以下为“高温合金涡轮叶片再制造”、“粉末冶金涡轮盘再制造”和“自动微弧等离子焊接”三项关键技术的简要介绍。

涡轮是喷气发动机的核心器件，而其上的叶片因为要承受高达1000多摄氏度的高温和巨大的旋转离心力，具有很高的加工难度。“涡轮风扇发动机”和“涡轮喷气发动机”的名称，之所以都带上“涡轮”就是因为涡轮是喷气发动机的核心器件。在航空发动机内部，涡轮叶片主要负责将燃烧室高温燃气的热能和势能转化为动能，涡轮叶片需要承受高达1000多摄氏度的高温和高速旋转带来的巨大
离心力，是体现航空发动机技术水平的核心部件。

为了提高涡轮叶片的耐高温性能，AL-31F发动机采用了ЖС26定向凝固合金精密铸造叶片。也就是通过精密铸造技术干预高温合金结晶，使其内部晶体结构都向着受力方向统一延伸，这样就可以极大改善叶片承受高速旋转离心力的性能。另外，为了增强叶片的耐高温性能，AL-31F的涡轮叶片还采用了复杂的空心气冷冷却手段，涡轮叶片内部是空心的，并且有复杂的气流冷却通道。

虽然采用定向凝固高温合金与空心气冷手段大大改善了AL-31F发动机的性能，但是极大的增加了对其损坏后叶片再制造的难度。涡轮叶片再制造就是将损坏的涡轮叶片修复完全使其能够像全新的叶片一样能够重新利用。对于AL-31F发动机的ЖС26定向凝固合金涡轮叶片，修复损伤处时必须保证新铸造结晶与原来结晶方向吻合，也就是说不仅要接上“断肢还要保证“血脉”重新相连，否则新修复部分即便可以与原来的叶片看上去融为一体，但是在高温强受力环境下立刻就会分崩离析。而且还要保证涡轮叶片复杂的内部空气流道畅通，其难度比新生产一块叶片还要加大许多。

一片涡轮叶片的价值数倍于同等重量的黄金，5719维修厂攻克定向凝固高温合金叶片再制造技术实现了涡轮叶片报废后的回收重新利用，不但节省了大量资金和贵重金属消耗，还使中国摆脱了高性能涡轮叶片需要进口才能进行发动机维修更换的被动局面。

在太行发动机上已率先应用的国产粉末冶金涡轮盘（此图已装叶片），AL-31F发动机由于涡轮盘很容易发生金属疲劳是其翻修寿命较短的重要原因。涡轮叶片是安装在涡轮盘上的，叶片上的巨大离心力载荷最终还是由涡轮盘来承受。另外涡轮盘的外缘和叶片一样直接接触燃烧室冲出的高温燃气，内缘却连接在主轴上，工作温度较低。涡轮盘内外缘的温差高达数百度，这就导致整体涡轮盘的内外缘受热程度不同变形程度也不同，这种变形一般被称为“蠕变”。如果涡轮盘的抗蠕变性能不足就很容易出现裂纹并且可能在巨大离心力的作用下碎裂，这不仅会限制发动机的寿命，也会极大影响了发动机的使用安全。为了增强涡轮盘的抗蠕变特性典型三代涡扇发动机都采用了大直径粉末冶金涡轮盘。“粉末冶金”就是将金属原料用超声波冲击成极细腻的金属粉末，然后在模具里注入粉末进行高温锻造，通过高温强压将粉末压成一个极为致密的部件。

但是AL-31F发动机由于前苏联暂时没有攻克大直径粉盘的制造工艺，采用的是ЭП742-ИД高强耐热合金制做涡轮盘，抗蠕变性能较差，而且耐热合金疲劳寿命也较短。军用航空发动机在使用过程中经常出现大幅度的工况变化，飞行员为了做高强度的机动经常反复快速推拉油门杆，这就导致涡轮盘经常要面对从低温到高温从低速到高速的剧烈变化，很容易发生金属疲劳。AL-31F发动机没有采用粉盘，也是其翻修寿命较短的重要原因。

不过，AL-31F发动机这一点缺憾，5719维修厂已经改善了。根据报道，5719维修厂掌握了粉末冶金涡轮盘的再制造技术，而再制造技术难度明显高于制造，也就说明中国不仅仅给L-31F发动机更换了粉末冶金涡轮盘，而且更是掌握了新粉盘的再制造技术。这项技术在AL-31F发动机总寿命延长近一倍的过程中也是非常重要的。片轮盘作成一体，省去了连接用的榫头、榫槽，使零件数目减少、结构简化、重量减轻。图中小图则为传统通过燕尾槽(红圈中已指出一处)结合叶片组成的叶盘。一般来说，喷气发动机压气机及涡轮风扇的叶片均用其叶身下的燕尾形榫头装于轮盘轮缘的榫槽中，再用锁紧装置将叶片锁定。上世纪80年代中期，在喷气发动机结构设计方面，出现了一种称之为“整体叶盘”或简称“叶盘”的结构。它是将叶片和轮盘作成一体，省去了连接用的榫头、榫槽，使零件数目大大减少、结构简化、重量减轻，而且还可消除空气在榫头与榫槽间的窜流，对压气机或涡轮风扇的性能还带来一定好处。因此目前在一些新研制的发动机中整体叶盘得到广泛采用。整体叶盘的关键技术就是焊接工艺一定要达到能让两个部件完全融为一体的技术水平。一般要采用电子束焊接、线性摩擦焊接或者等离子焊接。

5719维修厂掌握的核心技术是自动微弧等离子焊接。等离子是指在标准大气压下温度超过3000℃的气体，在温度谱上可以把其看作为继固态、液态、气态之后的第四种物质状态。1960年以后，等离子这个词获得了新的含义，那就是电弧通过涡流环或喷嘴压缩而形成的高能量状态。其焊接原理是：将等离子射流穿过整个焊缝并形成一个小孔这个小孔随电弧的前移而闭合，等离子射流经过之处部件融化，经过之后融为一体。目前等离子焊技术是用于整体叶盘制造和风扇压气机叶片再制造的关键。

掌握此项技术之后，只需要将已报废发动机的风扇或者压气机叶片的受损部位清洗并且切割整齐，进行内部结构无损检测之后就可以利用等离子焊将部分新叶片焊接在老叶片上即可重新制造出全新的风扇和压气机叶片。根据5719维修厂对这项技术的掌握程度来看，中国生产下一代高推比航空发动机需要的整体叶盘技术也已经获得突破。

从官方对5719维修厂的报道来看，中国空军成功将AL-31F的寿命从900小时延长至1500小时；并且，国产军用涡扇发动机技术已经完成对俄制AL-31F的超越，达到西方80年代水平。随着太行的成熟，歼10、歼11等中国空军现役主力战斗机的“心脏病”已宣告解决。贵为“工业之王冠”的航空发动机已经困扰中国太久太久了，这对关心中国国防的人们来说确实是个好消息。

但必须看到的是，中国的航空发动机工业与西方先进水平仍有20-30年的差距。在国产第4代战斗机研制的关键时期，中国的航空发动机工业仍需要加紧努力，早日研制出与四代战机相配套的先进涡扇发动机。另外，在大型客机所用的大涵道比涡扇发动机和直升机所用的涡轴发动机方面，国内与国外先进水平的差距更大，更需迎头赶上。