中国航发任重道远
作者：晨枫来自空翼
2016年8月28日，中国航空发动机集团在北京正式成立，由国务院、北京市政府、中航集团、商飞共同出资，注资资本500亿人民币，下辖职工92000人，包括中科院和工程院院士6名及一大批专家学者和杰出技术技能人才。航发集团将集中致力于军民用航空发动机的设计、制造、试验、相关材料研制等方面，建立完整自主的产业链，提高整体研发和制造水平。据报道，现在中国军机发动机约有90%为国产，包括自主研制产品和仿制产品。未来20年里，中国军机发动机市场价值可到452亿美元，民机发动机市场更是接近2600亿美元。航发集团有意在这一大潮中成为弄潮儿。
高性能而又可靠的航空发动机代表了工业技术的最高水平。以涡轮叶片为例，在地面停机状态，温度与气温相同。但启动之后，在几分钟内就要以最大推力起飞，涡轮前温度最高可达1650K以上。这样剧烈的温度循环对材料和质量是极大的考验。航空发动机也是航空工业的中坚，推力大、重量轻、油耗低、可靠性高的发动机是任何成功的飞机设计的起点。离开优秀的发动机，最优秀的飞机设计也只能说是存憾。
当前，航空发动机的发展正处在关键阶段。空客与波音推出新一代的A320NEO和波音737MAX，经济性有了跨越性的提高，这主要来自换装的普拉特·惠特尼PW1000G和通用电气-斯奈克玛LEAP先进涡扇发动机，气动、结构和其他方面的改进都是次要的。在军用方面，美国空军正在推动自适应三涵道发动机的研发，在推力、油耗和进气道-发动机整合方面达到新的境界，并可能用于F-35的换装和下一代战斗机的动力。航空发动机也是船用燃气轮机的基础，英国罗尔斯·罗伊斯WR21采用中冷回热（简称ICR）新技术，油耗与船用柴油机相当，但基本技术还是来自RB211涡扇。采用废热循环和热电联产的燃气轮机发电比锅炉-汽轮机的热效率更高，尤其适合以天然气为能源的清洁热电。
这也是中国航空的起飞时代。歼-10、歼-11、歼-15、歼-16的轰鸣才不多久，歼-20、运-20、直-20等新型军用飞机已经不断涌现，现用发动机只是过渡的，急待国产高性能发动机来发挥全部性能。眼界放宽一点，无人机和巡航导弹也亟待先进涡扇来大幅度提高性能。在民用方面，ARJ-21、C919和已经签署的中俄合作研发的宽体客机更是在呼唤国产高性能发动机。需要在第一时间直接与西方先进水平正面竞争的民航发动机对中国航发是尤其严峻的考验。
歼-20、运-20、直-20等新型军用飞机已经不断涌现，现用发动机只是过渡的，急待国产高性能发动机来发挥全部性能（Photo：北风）
民航发动机装上飞机使用后，除日常保养之外，要平均飞行30000小时后，才需要拆下来检修，这是西方民航发动机的一般标准。这其实不是工业标准，只是用户的合理期望。这不是一直如此的，早期民航发动机的可靠性很不堪，西方民航发动机达到现在的可靠性水平是几十年精益求精的结果。
民航发动机是耐用品，需要有遍及全球用户圈的保养、修理、翻修体系。也就是说，如果中国民航发动机要走向世界，需要建立全球备件、维修网络，提供定期和应急检修任务，培训全球性的技术服务队伍。这还包括设施和人员的认证体系。
但是第一步，中国航发要拿出过硬的发动机来，这涉及到整个从研发、设计到制造、测试的产业链。在这里，安全至上，质量第一，科学精神而不是教条主义，在谦虚学习中破除迷信，精益求精、不断精进而不是一步到位，这些现代工业文化的精髓是中国航发成功的关键。
现代航空发动机主要是涡扇，基本原理不复杂，但在高度优化的过程中，具体技术已经发展到非常复杂的程度，而恶魔总是在细节之中。
典型涡扇发动机由风扇、高低压压气机、燃烧室、高低压涡轮和喷口组成，民航常用的高涵道比涡扇实际上由风扇产生最大份额的推力，风扇推力与内涵道推力之比恰好就等于涵道比。理想涡桨的涵道比无穷大，内涵道的推力可以忽略不计。直升机用的涡轴则取消风扇，但喷口不产生推力，喷流驱动自由涡轮，转换成轴功率，通过减速齿轮驱动旋翼。这些涡轮类发动机在原理上共用核心发动机，也就是包含高压压气机、燃烧室和高压涡轮的部分。
涡扇发动机工作原理
涡桨发动机工作原理
桨扇发动机工作原理
涡轴发动机工作原理
压气机在原理上好比电风扇。压气机对着管道吹风，需要可调的导流片和固定的静子把螺旋形前进的气流矫直，但气流与导流片、静子、机匣壁、转轴的交互作用使得发动机内流动情况高度复杂。这还不光是一个三维的问题，时间也是一个因素。比如叶片转速增加，导致流速提高，气流旋转速度也相应提高，但增加有一个过程，要过一段时间才稳定到新的稳态。另外，叶尖速度以音速为极限，达到或者超过音速要引起激波，不光对机匣和相邻叶片造成严重敲击，还严重影响压气效率。压力波在空气中以音速传递，激波是空气速度达到音速后压力波堆积造成的密度极大提高，锋面好比石墙一样。在空气流道里形成石墙，无疑要造成发动机窒息。实际叶尖速度以M0.92-0.95为极限。但音速是随空气的温度、密度变化的，压气机对空气逐级压缩，音速实际上是逐步提高的。因此在发动机正常转速下，压气机叶片的叶尖线速度超过了典型大气条件下的音速，就是这个道理。为了尽可能提高压气机的出力，每一级的叶片和静子都要当前级的极限和压缩要求分别分析、设计。
传统上，这些复杂现象只有用风洞来观察。但风洞试验耗费很大，而且实验和观察条件有一定的限制，严重限制了发动机技术的发展。在只有计算尺的年代，发动机内部的流体力学计算只能在宏观层面上进行，局部现象和边界现象都无法有效处理。计算流体力学将整个系统划分为无数细小的单元，每一个单元里建立动态的能量、质量、动量的动态平衡，计算温度、压力、密度、速度、流向分布，把所有的局部现象和边界现象都考虑进去，使得高精度动态数字仿真成为可能。这相当于虚拟的风洞实验，可以在调整设计的过程中一遍一遍地反复，实际观察修改效果。这是非常有力的分析和设计工具，与计算机辅助制造系统连接起来，可以精密设计和制造每一片叶片、导流片、静子，达到最优性能。
现在能使用计算机流体力学对压气机叶片进行分析
燃烧室是另一个很有挑战的设计问题。优秀的燃烧室设计不光提高出力和燃烧效率，还降低氮氧化物和二氧化碳的排放。但高温条件下的复杂流动不容易用风洞观察，动辄1650K的工作条件，没有观察窗或者摄像头能耐受这样的高温。燃油需要在喷入燃烧室的时候形成均匀细密的雾滴，空气要在高速稳定的流动中与燃油雾滴均匀混合，点火要做到可靠、平滑，燃烧要稳定传播。由于燃烧室的温度高于耐热合金的熔点，必须靠冷却技术才能稳定持续地工作。冷却空气来自高压压气机的引流，虽然也有几百度的温度，但比燃烧室的温度低多了。燃烧室内尽管设计要求是均匀混合，均匀燃烧，但实际上还是有热点、冷点，冷却用来均衡这些温度差别，使得燃烧室可以达到最大出力和最高效率，避免短板造成的性能损失。另一方面，冷却气流在流动和换热过程中，逐步吸收热量，逐步升温，冷却效果也逐步下降。因此，冷却气流温度、流量、路径、分布需要与燃烧室内的温度分布紧密配合，才能保持壁温均匀。
燃烧室毕竟还是静态部件，涡轮（尤其是高压涡轮）不仅具有和燃烧室一样的耐高温要求，涡轮本身还在高速旋转，可达15000转/分。强大的离心力对结构材质是巨大的考验，但旋转本身对冷却设计是更大的挑战。涡轮叶片是空心的，但进气在翼根，出气在叶片表面。这些微孔的分布和方向很有讲究，不仅要克服离心力把气流“甩”向叶尖的自然倾向、保证内部气流流场和温度均匀分布，还要在叶片表面形成层流，达到最大的隔热效果。气流在物体表面的流动有层流和湍流之分，后者是紊乱的混合，传热快，但前者是“长幼有序”的分层平稳流动，层与层之间的换热不好，形成隔热效应。问题是，叶片表面受到高速旋转和燃烧室的高温燃气冲刷的影响，流场高度复杂。叶片转速和燃气速度还随发动机出力而变，通用电气的LEAP发动机还根据工况自动调节冷却气流的流量，在低推力的时候降低冷却气流流量，改善油耗，这些因素都进一步增加了问题的复杂性。
GE90发动机的环形燃烧室
这一切都需要海量的流体力学计算。除了已经普遍使用的各种台式高速电脑和工作站，中国已经成功地建造了若干世界最快的超级计算机，特别擅长高速数值运算，在客观上已经形成良好的条件。但计算流体力学还需要先进的软件和使用经验，单元划分越细小，计算精度越高，但收敛也越困难，有很多技术诀窍。很多软件是公开市场上可以买到的，很多数值方法诀窍也并不保密，但软件使用需要丰富的经验，什么时候用什么诀窍更需要经验。
在材料技术上，一般认为传统耐热合金的潜力已经用尽，未来需要向陶瓷基复合材料（简称CMC）要发展。陶瓷是已知材料中最耐高温的，锅炉的耐热砖就属于陶瓷类。但陶瓷易碎，在振动、高速高温气流冲刷的严苛条件下容易碎裂。CMC把陶瓷纤维与陶瓷基体结合起来，继承了陶瓷耐高温的优点，避免了易碎裂的缺点，是现代航空发动机材料方面的关键技术，通用电气已经将CMC用于LEAP发动机的制造，这是波音737MAX的关键技术。
LEAP发动机采用了18个CMC涡轮隔热板（高压涡轮上导引空气的静子件，以增强涡轮叶片效率）
另一方面，斯奈克玛采用碳纤维3D编织的方法，大大提高碳纤维复材构件的刚度和强度。传统碳纤维复材把平面编织的碳纤维布用基体树脂层层粘结，层与层之间的强度取决于基体树脂。3D编织组成有序的空间网格结构，然后固化在基体材料中。3D编织碳纤维复材使得进一步增加尺寸成为可能，有助于增加涵道比；或者在尺寸不变的情况下，降低叶片重量，采用更加复杂的宽弦大弯度以提高气动效率。碳纤维复材（不仅3D编织）也耐腐蚀、耐外物撞击，不易结冰，而且热胀冷缩问题较小，有利于维持很小的叶尖间隙、降低漏气而不至于受到热胀冷缩的影响。
斯奈克玛采用碳纤维3D编织技术制造的风扇叶片
普拉特-惠特尼的法宝则是齿轮减速涡扇，现在已经应用与PW1000G系列，成为空客A320NEO、俄罗斯MC-21、加拿大庞巴迪尔CS系列、巴西航空工业E2系列、日本三菱MRJ等新一代客机的首选。最早的涡扇是单转子的，不分高低压压气机，也只有一个涡轮组，风扇直接连接在大轴上，与压气机相同转速。由于风扇、高低压压缩的转速要求互相牵制，单转子涡扇很快发展成双转子，高低压压气机和涡轮分开，高压部分转速更高，低压部分转速较低，风扇连接在低压轴上，与低压压气机具有相同转速。双转子的热效率大大提高，但理想低压压气机的转速还是比理想风扇更高，这也与低压涡轮的有效转速有关，涡轮转速不能太低。风扇转速更低的话，容许直径更大，效率更高，但双转子难以做到。
PW1000G的结构图
通过传统齿轮来驱动风扇
罗尔斯·罗伊斯将双转子发展为三转子，在高低压之间增加了中压级，中压涡轮驱动低压压气机，低压涡轮驱动风扇，进一步提高热效率。但双转子的轴套轴已经很复杂了，三转子的机械结构更复杂，可靠性、重量的代价相当显著。通用电气和普拉特·惠特尼坚持双转子路线，深度优化，只有罗尔斯·罗伊斯采用三转子。罗尔斯·罗伊斯的三转子不仅用于民航发动机，也用于战斗机涡扇，如“狂风”的RB199。
罗罗RB211三转子涡扇
三转子在实用中并没有体现出比高度优化的双转子更优秀和油耗和减噪，但风扇速度降低的好处是明摆着的。普拉特·惠特尼采用齿轮减速，用双转子的结构达到三转子的效果，甚至超过三转子的效果，因为在风扇转速较低的同时，低压涡轮可以保证较高转速，有利于涡轮的工作效率。这是民航发动机的一个飞跃。齿轮减速的概念并不复杂，70年代的加莱特TFE731就采用了齿轮减速，由于噪声特别低，在公务机领域特别受欢迎。但高涵道比涡扇的推力主要来自风扇，因此对齿轮减速系统的要求特别高。行星齿轮的设计倒不是最大的问题，最大的问题在于滑油系统，要在离心力的作用下保证滑油的可靠三维流动、润滑和冷却，这是一个很有挑战的计算流体力学问题。普拉特·惠特尼首先在大推力高涵道比涡扇上采用齿轮减速，这有可能成为未来民航发动机的典型技术，罗尔斯·罗伊斯计划放弃招牌三转子技术，下一代Ultrafan系列上将采用齿轮减速。顺便提一句，普拉特·惠特尼的齿轮减速也是F-35B所用的升力风扇齿轮驱动的基本技术。
罗罗下一代Ultrafan系列也将采用齿轮减速技术
Ultrafan的减速齿轮
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