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燃气轮机本土化,推动航空发动机快速突破,中国雄起!

2017-6-1 15:09| 发布者: admin| 查看: 46| 评论: 0

摘要: 十三五期间,以江苏为代表的发达省份,即将逐步减少新上马的煤电占比,大力推广燃气轮机(分布式供热),提高替代能源(风能,光伏,生物质/固废焚烧发电在总发电中的占比)。这一举措将极大改善民众关注的雾霾污染 ...

十三五期间,以江苏为代表的发达省份,即将逐步减少新上马的煤电占比,大力推广燃气轮机(分布式供热),提高替代能源(风能,光伏,生物质/固废焚烧发电在总发电中的占比)。这一举措将极大改善民众关注的雾霾污染状况。实在是不亚于高铁本土化、航母本土化的重大技术突破。



本期微信软文,睿译菁英小编就接着跟大家说一说,除了雾霾克星,燃机本土化的计划,对中国飞机发动机制造能力的提升,又有何种意义。


一、“三步走”实现燃机本土化

参照高铁 “以市场换技术,掌握核心技术,实现本土创新”的技术发展策略,燃机技术的本土化从成立合资企业,实现技术转移开始。国家高度重视具有自主知识产权的燃机研发制造,明确了自主燃机商业化应用的路线图:即2020 年小型燃机,2030年F级重型燃机;以及2050年H级及以上级重型燃机。


燃气轮机与航空发动机原理相似,只不过燃气轮机本身就分轻型(分布式发电、飞机)、中型(船用推进)、重型燃机(发电-供热)。飞机发动机属于小型燃机,在分布式发电中,已有将飞机发动机改装为发电设备的先例,行业内部把此类的发电燃机称之为“航改机”。



飞机的发动机本质上就是一台燃机,它与航空发动机的关系就像母子,只是应用不同,基本原理都是类似的:压缩空气,高压燃烧,高速气流推进。飞机进气口就是压气机进气口,流经气流一部分混合燃料燃烧,推进飞机动力,还有一部分做冷却气流,防止叶尖过热。两者的比率关系,就是涵道比(bypass ratio)。


飞机发动机的结构,与重型发电(供热)燃机其实是一样的,主要包括压气机段(compressor section)和透平段(turbine section)。不同的地方在于,燃机的进气口(inlet)前段往往有过滤系统,防止空气中的颗粒或异物进入压气机系统造成击打损伤(FOD),飞机则没有,因此机场往往会有防止鸟类或者无人机进入的要求。而且,重型燃机的压气机一般有19级叶片,从大到小向透平端排列。由过渡段(transtition-piece)提供加热加压气流到燃烧室(combustion chamber)与燃料喷雾混合后燃烧。




飞机发动机结构


先不说其它工艺上的难点和复杂度差别,小型燃机叶片、燃烧室、热通道部件的温度和压力都远远小于动辄1300度以上的大燃机。因此对材料的要求相对简单一些,因此,计划2020首先突破小燃机既可以分阶段积累材料科学方面的研发工作,又具有国防战略意义(歼20等飞机的发动机自主化),同时还能促进我国商业飞机的发展(只有当C919的发动机也能生产时,才是真正的纯中国造)


飞机发动机结构2


F级重型燃机是一个统称,包括GE的9fa/6fa/9fb/6fb系列,西门子的V94.3,三菱重工的701F,属于目前燃机市场的主力机型。性能优于老一代的9E(GE9E/西门子V94.2/三菱重工701D),环保性能提升,燃烧效率更高。



现在很多发达国家和地区都已经逐步淘汰9E机组,主要装机F级燃机,美国加拿大等国家更是率先使用了H级燃机。我国目前装机的还主要是E级燃机,随着十三五的推进,将逐步提升燃机发电的占比,推进燃煤机组环保技术升级。


重型燃机结构


所以,我国的自主燃机商业化应用路线图,第一步就是实现小型燃机(包括飞机发动机在内)的自主化生产能力,也就不难理解了。



二、市场换技术,复制高铁航母模式


尽管如此,重型燃机的本土化还是要推进,一来将有益于中国不断优化能源结构、改善民生关注度环保问题。于此同时,重型燃机的本土化将带动材料科学等方面的技术进步,帮助中国提升技术能力,未来生产更高性能的飞机发动机。


以“市场换技术”是中国在众多先进制造业技术本土化过程中的成功经验。这曾经被成功的应用至高铁技术的本土化。



也在航母制造技术上起到了高起点起步的助推作用。1992年中国购买了乌克兰黑海造船厂的“雪龙号”破冰船,1999年又从其购买了完工三分之二的“瓦良格”舰体。这些技术的引进,帮助中国直接跨越平台设计、和传动系统设计阶段的积累,快速推进至舰载系统的安装和设计,从2002-2011年。用不到十年的时间,就完成了航母本土化的突破。



高铁和航母咱都能造,小小的燃机,有什么难的?各位别忘了,平地起高楼总是很难的,我国高铁、航母等技术的快速突破,除了自主研发实力的升级推动之外,原有技术所有企业(高铁三大生产商,乌克兰航母平台技术)也起到了极大的助推作用,在高起点上起步的相关技术研发,快速突进那是得天时地利人和的自然结果。如果没有这样的起点,这些技术研发最少要多走十年的弯路。



重型燃机的相关技术,涉及材料科学、机械、冶金、化学涂层、热处理、电子电路、无损探伤等各种学科。燃机的本土化,意味着我国在这些相关技术领域,都要大幅度提高水平,否则,即便本土化了,质量也很难保障。因此,从2014年起,我国也在逐步推进重型燃机的本土化进程,学习国外燃机修造的先进理念与技术。



燃机修造的难点在于材料科学,燃机分成压气机段和透平段两个部分,另外还有油路等辅助系统。是多个系统协同控制的结果。压气机一般由19级构成,透平端由3级构成,分动叶(bucket)和静叶(vanes),燃机启动时,压气机主要负责压缩空气,将其升温至400摄氏度以上,加热后的空气进入过渡段,在混合燃料之后在燃烧室内点火燃烧,生成高速气流冲击透平段分级叶片,带动叶轮旋转,透平段末端可连接发电设备(发电)、机械设备(飞机)、供热设备(供热)。


问题就在这儿了,透平段进气温度已经都在400度以上,再高压点火燃烧后,温度更是高达1300度以上,而且叶轮高速旋转,动叶叶尖离心力已经相当于两辆伦敦双层巴士吊在小小的叶尖位置。



所以,燃机制造的重点难点主要体现在冶金材料科学上,1500度下已超过大部分常见金属的熔点,而且材料还要承受高离心力的拉伸、燃机启停时的温差应力、以及长时间高速旋转的疲劳应力、燃烧气体产生的化学腐蚀等挑战。



所以铸件材料技术,是长期制约中国我国燃机(包括飞机发动机)本土化修造的技术瓶颈,也是制约中国航空工业发展的最大羁绊。随着中国在航空发动机领域的不断辛苦耕耘,大量核心技术、加工技艺、锻造设备和高端机床等不断是实现突破,中国航空发动机进入了收获的季节。

随着涡扇15发动机(WS-15)的正式下线,中国离完成燃机本土化的第一个目标越来越近了。俄罗斯《军工信使》周刊揣测,目前至少有一架歼-20隐身歼击机的样机装备了WS-15发动机,并通过测试。该型发动机除推力足够大外,还配备了全数字化电子控制系统。这表明中国国产WS-15发动机项目已取得成功,大幅度缩小了与美国、欧洲和俄罗斯在现代化喷气发动机领域的差距。

俄罗斯媒体指出,除了由WS-15来支撑歼-20项目,其他WS系列发动机有望全面替换俄制AL-31F和RD-93等发动机。由此,解放军的战斗机部队将进入“中国心时代”。另外中国引进了乌克兰大型运输机安225,在此基础上中国大型客机和运输机发动机的研制也开始加速。随着中国大型客机与运输机发动机的突破,中国必然形成各型战机发动机研制能力,从而彻底摆脱发动机“芯病”制约。

中国航空发动机产业快速进步,巨大突破一个接一个,中国很振奋,但美俄心态却很复杂。美国媒体认为,航空发动机是一项需要长久积淀的工业项目,一般一款成熟额度发动机都需要20多年的努力,但是中国却在10多年的时间内取得这么多重大成果真是令人震惊。

美国智库专家甚至直言不讳的说,中国发动机领域巨大进步来的太快了,让人难以想象,中国肯定是通过某些途径掌握了美国发动机核心技术。


闭门造车肯定不行,在高端设备制造领域,中国通过市场换技术,站在巨人的肩膀上,再根据中国国情加以创新。2014年5月上海电气集团收购意大利安萨尔多股权,成立合资公司,达成服务技术转让协议。



2014年3月 华电集团与瑞士苏尔寿成立燃机修造合资公司,达成服务技术转让协议


航空航天、国产航母、量子通信、超算、核能、高铁、港口龙门吊数不胜数,中国正在创造一个又一个弯道超车的故事。新科技、新成果加速转化,新模式、新业态不断涌现。中国科技创新如今正处在由量的积累向质的飞跃、由点的突破向面的提升转变的关键阶段。


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