發動機加工技術取得突破：渦扇15裝機測試應該不遠了！

近日有媒體披露中國「航空發動機渦輪葉片複雜異型孔加工系統「正式通過驗收，該加工系統為渦輪葉片、燃燒室、火焰筒等熱端部件的複雜異型孔精密低損傷加工提供了國產母機和成套工藝方法，並可以擴展應用到三維曲面微細加工。準確來說一直為人詬病的國產發動機機件超精密加工領域已經取得了重大突破，對推動我國航空發動機、燃氣輪機熱端部件的技術進步和微細加工能力的突破有重要意義。目前此項技術已經全面進入產業化階段，這就意味著大家期待的渦扇-15也將於不久後裝機試驗。

渦扇-15「峨眉」發動機是為我國第四代戰鬥機而研製的小涵道比推力矢量渦扇發動機，這款發動機由606所、624所、614所等單位組織研製。「峨眉」發動機的研製歷史始於1992年，歷經三年的談判，1995年6月中國和俄羅斯簽訂了轉讓R-79發動機生產許可證的協定。R-79發動機原來是蘇聯為了雅克-141項目設計的新一代發動機，由於蘇聯解體其項目被擱置。

1998年亞洲金融危機時中國不僅成功獲得了R-79B-300發動機矢量噴管技術，同時也取得了莫斯科聯盟航空發動機科技集團研製的推力為20噸的R-79-300發動機設計方案和R-79M的設計圖紙和技術資料。624所在取得了相關設計圖紙和技術資料後，立即著手進行測繪和仿製工作，2006年5月研製完成了了YWH-30-27核心機，進一步研發了CJ-2000項目，即渦扇-15。

在渦扇-15的相關研製過程中渦扇葉片等熱端部件的超精密機加工是中國工程師們遇到的最大的一個難題：由於國產機床的先天性缺陷以及國外在這一方面的技術封鎖，加工精度這一難題一直被稱為中國航空發動機的「先天性心臟病」。有國外專家曾直言：「就是把發動機送給中國，他們也仿製不出來。」

隨著新一代戰鬥機對推重比的要求日益提升，導致發動機渦輪前工作溫度不斷提升。航空發動機要想達到推重比為10，其渦輪前燃氣溫度將接近為1940K（1667攝氏度），比渦扇-10B「太行」發動機整整高了200攝氏度。而渦扇-15的推重比將高達10到12之間，其渦輪前燃氣溫度為2100至2300K（1827攝氏度至2027攝氏度）。

純鐵的熔化溫度為1538攝氏度，當超過此溫度時，純鐵已沒有任何強度，因此複合金屬材料才是發動機葉輪的關鍵材料。發動機渦前溫度的升高也大大惡化了發動機中各個高溫零部件的工作環境，導致發動機零部件的可靠性和使用壽命的降低，要在這麼高的溫度下安全高效高壽命的運轉，就必須採用必要的方法手段來保證發動機高溫部件的性能安全。國際上通用的解決方法：一是研發耐高溫的合金材料，二是發展先進的高溫零部件的冷卻技術。因此渦輪葉片所面臨的300至700攝氏度溫度缺口，必須通過新型熱障塗層和強力氣膜冷卻雙管齊下來彌補，所以工藝上十分複雜。

目前世界上最先進的是氣膜冷卻技術的應用，它可以大幅度降低對熱障塗層和單晶葉片材料的要求。而所謂渦輪葉片氣膜冷卻，就是通過葉片的內部冷卻通道將相對低溫氣體（約600℃）通過分布於葉片表面的氣膜冷卻孔噴射出來，在葉片表面形成包覆，隔離燃燒室噴出的高溫高壓氣體。這種方法的缺陷是下游由於冷氣的剝離，導致大面積的壁面溫度接近於燃氣溫度，必須在葉片上打高密度的直圓孔才能實現冷卻性能，這必然大幅降低單晶葉片結構強度和壽命。

美國的GE發動機公司早在上世紀80年代末就發現，採用用三維異型孔，就可以實現更優的冷卻效果，冷卻效率從直圓孔的0.3左右大幅度躍升到0.5以上，但對如何加工以及如何實現高度保密，從不公布任何細節和論文，據公開資料稱GE發動機公司已經將異型孔氣膜冷卻技術用到和F-119競爭的F-120發動機上，以及第六代戰鬥機使用的變循環發動機上，LEAP-1C最新一代民用發動機上，大幅提高了發動機的可靠性。我國則由於自主加工母機的空缺和加工工藝的落後，長期未能突破複雜異型孔加工技術，先進冷卻結構設計出來，也無法製作驗證，葉片冷卻效率迄今與西方國家存在30年的代差。

針對上述挑戰我國科學家經過六年多持續攻關，近日成功完成「異形孔激光加工系統」及全套加工工藝的系統攻關。根據公開資料披露該加工系統打出的的「貓耳異型孔」，表現出卓越的大面積壁面降溫能力，在渦輪前燃氣溫度為1940K（1667攝氏度）時，最小直徑為0.5毫米「貓耳異型孔」可以將面積為400平方毫米左右的葉片表面溫度降低150攝氏度，並且由於打孔的大幅減少，發動機渦輪葉片壽命反而會大幅增加，或者渦扇-15渦輪葉片材料不變，發動機推力提高20至40%。

由此看來該項技術將很快運用於渦扇-15發動機上使其壽命大大增加，發動機推力即將提高到20這一里程碑的檔次，中國和歐美國家航空工業的差距將進一步減小，殲-20戰機也許將換上新的強勁的國產心臟了。

作者：長弓阿帕奇

本文由火器營原創，抄襲必究！（圖片來源於網路）

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