社会实践中期报告-xqn0601.doc

有研总院社会实践中期报告北京有色金属研究总院研究生部社会实践中期报告 题 目：国内航空发动机制造水平的调研 项目类型： 专业领域调研 负 责 人： 薛倩楠 成 员： 李龙飞，王山山，宋扬 日 期： 2014.06.05 一、 调研背景作为飞机的心脏,航空发动机的设计、材料与制造技术的进步对航空工业的发展起着关键性的作用，是构成国家实力基础和军事战略的核心技术之一。随着航空科技的迅速发展，航空发动机必须满足超高速、高空、长航时、超远航程的新一代飞机的需求。发达国家在策略上对内优先发展，对外严密封锁，我国航空发动机研制任重道远。近年来，航空工业发达国家都在研制高性能航空发动机上投入了大量的资金和人力，实施一系列技术开发和验证计划，如“先进战术战斗机发动机计划（ATFE）”、综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划”及后续的VAATE计划、英法合作军用发动机技术计划（AMET）等。中国政府也加大了在航空发动机研制的投入力度，中国航空发动机起飞进入倒计时。二、 调研目的及意义2.1航空发动机简介航空发动机是为航空器提供飞行所需推力（或拉力）的热力机械，基本可分为活塞式发动机与空气喷气式发动机两大类。图1为航空发动机的分类。图1 航空发动机分类以上为传统分类，随着时代发展，新概念航空发动机已初见端倪，如多核心发动机、组合发动机、微波发动机以及模拟昆虫扑翼飞行的电致伸肌动力发动机等等。先主要为燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动将转动的压气机和涡轮连接在同一根轴上，两者之间装有热源（燃烧室），空气连续不断地被吸入压气机，压缩增压后进入燃烧室中喷油燃烧成为高温高压燃气，再进入涡轮中膨胀做功。膨胀做功分成两部分：一部分通过传动轴传给压气机，用以压缩吸入燃气涡轮发动机的空气；另一部分对外输出，作为飞机的动力装置。如图2.图2 航空燃气涡轮发动机结构简图2.2国内发展状况综述目前中国在航空发动机的材料应用方面与国外的差距非常大，以至于中国民用的发动机全部依赖进口。军用发动机的材料应用也不甚理想，发动机的平均无故障时间，平均大修时间、平均寿命等关键指标与国外仍有较大差距。航空发动机主轴承是航空发动机的关键部件之一，在高速、高温、受力复杂的条件下运转，其质量和性能直接影响到发动机性能、寿命和可靠性。目前国外发达国家航空发动机主轴承的寿命均能达到1万小时以上，完全可以满足大飞机发动机主轴承的寿命需求。而我国目前航空发动机的主轴承寿命基本在900h以内，主轴承寿命不如西方1/10。但近年来我国在航空发动机方面取得了可喜的进展。上海大学自主研发的30厘米长的涡轮单晶叶片，是晶体生长工艺上一次突破，也是我国自主培养的最长一块单晶叶片，但与国外最先进技术相比，还有510厘米的差距。我国发动机在技术、材料、生产上发展都是难题，光是军用发动机就落后欧美俄二三十年。技术难：比如要保持燃油火焰在以每秒100多米高速流动的高压气流中稳定燃烧，就要通过燃烧室结构设计，采取冷却手段，降低燃烧室筒壁的温度。材料难：目前国外发达国家的发动机主轴承的寿命都在1万小时以上，而我国的基本在900小时以内。而现代高性能航空发动机都采取一些高强度、耐高温材料，包括钛、镍、铝、复合材料以及镍基和钴基超耐热合金。有分析认为，中国现在超耐热合金还不能完全自给，据估计中国每年超耐热合金的生产量约为10000吨，而需求量则为20000吨。更有专家指出，制造发动机风扇的复合材料目前国内做不出来。工业化难：在实验室制造一片叶片是一回事，而批量生产数以千计的标准化且性能可靠的叶片则完全是另一回事。一台喷气发动机往往需要400500片各类叶片，稳定的量产质量是发动机制造业的必需。拿一款军用的发动机举例，2010年11月有媒体报道，一款名为涡扇10“太行”的发动机已投入批生产，将用于装备歼11B。尽管如此，仍然有证据表明中航工业在扩大涡扇10量产过程中质量稳定性控制存在问题，造成发动机可靠性不足，中国战机仍然严重依赖俄罗斯进口发动机。经过多年努力,我国军用航空发动机研制取得一定突破,尤其是WP、WS9和WS10的研制成功,标志着我国航空发动机研制能力上升到新的台阶。2.3调研可行性分析1) 调研主题的可行性航空发动机的生产水平代表一个国家的军队建设水平，更从侧面反映出国内最先进的制造水平，是衡量国家经济发达，科技进步的重要标志。本次调研拟在了解国内航空发动机的研究现状，了解技术难点所在，明确与欧美强国的差距。2) 实践形式的可行性采用学习和调研相结合的形式，由于调研课题限制，不采取发放调查问卷的形式，但罗列访谈问题列表，保证调研过程中的针对性。期间通过电话，网络等对国外及发动机制造基础知识进行询问查阅及了解。3) 实践地点选择的可行性全国四大航空发动机研究热门地有北京，沈阳，西安，成都。根据实际情况，将调查单位锁定在北京，西安代表性航空研究院所及企业。4) 团队组合的可行性本组共四名队员。涵盖了材料科学，材料成型，冶金工程三个专业领域的研究生。专业组合丰富，队员能力突出，成绩优异。四人都为学生干部，工作勤恳负责，积极性高。队员中有西安本地人，可与当地行业内人士更好的沟通，不存在语言障碍。并有两位队员毕业于西工大，有利于调研工作的顺利开展。2.4航发动机发展趋势据路透社报道，在接下来二十年的时间里，中国最终将在发动机领域投入多达3000亿美元。据估计，普惠公司为F-35战机研制F135发动机共投入了约84亿美元。中国已经投入了可同时维持多款先进性能喷气发动机和大型涡扇发动机研发工作的资金。中航工业集团2014年收入挑战4000亿，军民融合战略再深化。1月20日闭幕的中航工业集团2014年峰会称，除军品外，今年中航工业将推动民用直升机4S店和飞行俱乐部建设，凝聚社会资源谋求通用航空发展。未来随着我国三代机、舰载机、教练机、直升机、大运和四代机的列装军队,我国军用航空发动机市场空间巨大。我国民用航空发动机的研制基本处于空白,我国研制的飞机如新舟60、ARJ21和C919均使用国外的发动机。中航商用飞机发动机公司的成立,标志着我国民用航空发动机研制进入实质性阶段。我国正在研发大飞机C919的国产发动机CJ-1000A,未来我国大飞机将装上我国自主研发的发动机。三、 调研内容与流程3.1相关资料查阅要进行实地调研，最重要的环节之一就是前期的知识储备工作。本组队员利用课余时间上网查阅了大量关于航空发动机的制造现状以及国内外技术难题等。部分队员利用自己的人脉资源与在航空企业工作的同学也取得了联系，询问相关问题并联系可行的实地调研单位。在航空式发动机中，最关键的压气机、燃烧室、涡轮组成发动机的核心机。涡轮驱动压气机以每秒上千转的转速高速旋转，进入发动机的空气在压气机中逐级增压，多级压气机的增压比可达 25 以上。增压后的空气进入发动机燃烧室，与燃油混合、燃烧。要保持燃油火焰在以100m/s以上高速流动的高压气流中稳定燃烧，同时要保护燃烧室火焰筒壁不被高温燃气烧蚀，光靠选择耐高温材料和耐热涂层还不够，还要通过燃烧室结构设计，采取冷却手段，降低燃烧室筒壁温度，保证燃烧室正常工作。从燃烧室出来的高温、高压燃气流驱动涡轮叶片以每分钟数千转甚至上万转的转速运转，通常涡轮前温度要超过涡轮叶片材料的熔点。除此之外，航空发动机的外部运行环境极其严苛，要适应从地面高度到万米高空缺氧环境、从地面静止状态到每小时数千米的超音速状态和从沙漠干燥环境到热带潮湿环境。总之，航空发动机需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下，到达数千小时的正常工作寿命，这就使得航空发动机的研制对结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、电子学、控制理论等学科都有极高要求。下图为航空发动机复杂的内部结构：3.2联系调查单位团队成员李龙飞利用自己的人脉资源联系了相关单位的工作人员，确定了可行的实地调研单位。1) 企业职员（本科同学）所在企业所在部门姓名联系方式备注陕西航空电气有限责任公司发动机机电系统朱一航工业西安飞机工业有限责任公司姜毅黎阳航空发动机（重庆）锻造叶片分厂陆春羽151851819892) 高校老师及同学所在单位研究方向姓名联系方式备注西北工业大学材料学院非平衡凝固技术与理论及非平衡合金制备陈豫增博士，副教授西北工业大学航空学院飞机设计研制陈一坚中国工程院院士西北工业大学材料学院线性摩擦焊接李洵硕博连读生，对航空发动机很有见解西北工业大学航空学院飞行器设计张星雨硕士，对航空发动机很有见解3.3访谈问题为顺利开展实地调研工作，在出发前做了详细的访谈问题列表，基于所列问题进行现场调研。以下是所列出的访谈问题。1) 中国的航空发动机水平在国际上处于什么样的地位？2) 我国航空发动机与发达国家的差距主要在哪些方面？3) 这些差距是由什么原因造成的？设计水平、材料制约还是其他方面的原因？4) 就设计水平方面，差距主要在哪些方面？5) 发动机是航空工业发展的心脏，而材料又是关键因素之一，材料方面的问题对我国航空发动机的发展有哪些影响？6) 国内对于这些制约我国航空工业发展的这些因素采取了哪些措施？取得了什么样的成