重磅！院士承认突破发动机核心技术：涡扇15进展已到这里了

7月27日， 媒體披露， “航空發動機渦輪葉片復雜異型孔加工系統“正式通過驗收， 該媒體稱， “該加工系統為航空發動機及燃氣輪機渦輪葉片、燃燒室、火焰筒等熱端部件的復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， 并可以擴展應用到三維曲面微細加工， 可對金剛石、石英、陶瓷、金屬、復合材料、樹脂等眾多難加工材料進行精密三維加工。 該成套技術的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“。

筆者根據公開資料對該技術進行背景解讀， 目前發動機專家普遍認為， 在保持渦扇發動機尺寸不變的情況下， 發動機渦輪的前進口溫度（即所謂渦前溫度）每增加10至15攝氏度， 發動機所獲得的推力可增加1%至2%， 所以提高渦前溫度可以大幅提高發動機推重比和發動機效率。

工程院院士劉大響講解航空發動機發展現狀。

隨著新一代戰斗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。 據公開資料披露， 我國某推重比為10的大推力渦扇發動機的渦輪前燃氣溫度約為1940K（1667攝氏度）， 比渦扇-10B“太行”發動機整整提高了200攝氏度， 推力也大幅增加。 另據資料稱， 我國正在預研的第六代戰機發動機的推重比將高達15至20 左右，

渦輪前燃氣溫度為2100至2300K（1827攝氏度至2027攝氏度）。 在民用航空發動機方面， 為我國干線客機C-919配套的國產長江-1000大涵道比渦扇發動機為了和 CFM國際公司的LEAP-1C發動機競爭， 渦前溫度設計指標與LEAP-1C不相上下， 為1950K（1677攝氏度）， 且要求做到大修設計指標為1至2萬小時。 用于洲際寬體客機CR-929配套的長江-2000發動機渦前溫度設計指標竟達2200K（1927攝氏度）！要知道， 純鐵的熔化溫度也才1538攝氏度， 當超過此溫度時， 鐵已沒有任何強度， 成為“一灘鐵水”了。

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。 我國渦噴-13發動機為了滿足殲-8F戰斗機性能的提升， 僅僅將渦前溫度提高了15攝氏度，

發動機就故障頻發。 而渦扇-15發動機渦前溫度可能為1940K（1667攝氏度）左右， 要在這么高的溫度下安全高效高壽命的運轉， 就必須采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。 但是， 即使是目前最先進的第五代單晶葉片材料， 其熔點也很難超過1500K（1227攝氏度）， 更耐高溫的CMC陶瓷基復合材料仍然無法直接滿足2100K（1827攝氏度） 的高溫環境， 且目前技術還不成熟。 此外， 渦輪葉片所面臨的300至700攝氏度溫度缺口， 必須通過新型熱障涂層和強力氣膜冷卻雙管齊下來彌補， 所以工藝上十分復雜。

目前， 世界上最先進的陶瓷熱障涂層也只能在工作環境下降低葉片使用溫度170 ℃左右，

因此， 先進氣膜冷卻技術的應用可以大幅度降低對熱障涂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℃）通過分布于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。 實際上， 我國是僅次于美方， 第二個采用氣膜冷卻渦輪空心葉片的國家， 1966年研制出的我國第一片鑄造多孔氣冷鎳基高溫合金葉片， 經安裝在殲-8戰斗機的渦噴-7甲發動機試車發動機上試車， 取得完全的成功， 將渦輪前的溫度提高了約100攝氏度， 大幅提高了發動機推力。 由于種種原因， 目前我國的氣冷單晶葉片大部分采用的是中空結構和簡單直圓氣膜孔， 但直圓孔的冷卻氣體貼附性不好， 冷氣絕大部分會脫離葉片表面， 只在很接近孔邊的區域降低了溫度。

下游由于冷氣的剝離， 導致大面積的壁面溫度接近于燃氣溫度， 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， 采用用三維異型孔， 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， 以及第六代戰斗機使用的變循環發動機上， 以及LEAP-1C最新一代民用發動機上，大幅提高了發動機的可靠性。我國則由于自主加工母機的空缺和加工工藝的落后，長期未能突破復雜異型孔加工技術，先進冷卻結構設計出來，也無法制作驗證，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，在國內率先打通了復雜異型孔技術應用的“仿真-設計-裝備-工藝”創新鏈，在中科院裝備項目支持下，成功研制出“異形孔激光加工系統”及全套加工工藝。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，將面積為121平方毫米左右的葉片表面溫度降低300攝氏度。夸張一點說，即使是采用渦扇-10太行發動機的渦輪單晶葉片材料（渦前溫度1740K），也可以將推重比提高到9到10，并且由于打孔的大幅減少，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%。

目前唯一遺憾的是，該異形冷卻孔制造設備驗收時間較遲，很可能不能用在渦扇-15的第一批設計定型產品上，只能用在渦扇-15的后續改進型號上，7月7日，工程院院士劉大響首次表示我國第四代軍用小涵道比航空發動機項目進展順利，渦扇-15的第一批產品將在未來3至五年內設計定型，而未來推比達到12一級的渦扇-15后續批次發動機值得期待。此外，殲-31“鶻鷹”飛機的渦扇-19發動機目前還處于設計階段，完全有可能采用此先進技術，大幅提高推力和推重比，以及發動機壽命。

以及LEAP-1C最新一代民用發動機上，大幅提高了發動機的可靠性。我國則由于自主加工母機的空缺和加工工藝的落后，長期未能突破復雜異型孔加工技術，先進冷卻結構設計出來，也無法制作驗證，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，在國內率先打通了復雜異型孔技術應用的“仿真-設計-裝備-工藝”創新鏈，在中科院裝備項目支持下，成功研制出“異形孔激光加工系統”及全套加工工藝。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，將面積為121平方毫米左右的葉片表面溫度降低300攝氏度。夸張一點說，即使是采用渦扇-10太行發動機的渦輪單晶葉片材料（渦前溫度1740K），也可以將推重比提高到9到10，并且由于打孔的大幅減少，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%。

目前唯一遺憾的是，該異形冷卻孔制造設備驗收時間較遲，很可能不能用在渦扇-15的第一批設計定型產品上，只能用在渦扇-15的后續改進型號上，7月7日，工程院院士劉大響首次表示我國第四代軍用小涵道比航空發動機項目進展順利，渦扇-15的第一批產品將在未來3至五年內設計定型，而未來推比達到12一級的渦扇-15后續批次發動機值得期待。此外，殲-31“鶻鷹”飛機的渦扇-19發動機目前還處于設計階段，完全有可能采用此先進技術，大幅提高推力和推重比，以及發動機壽命。