以燃烧室为例看美国的航空发动机研发体系.docx

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1、以燃烧室为例看美国的航空发动机研发体系目录总论11 .基础研究12 .预先研究43 .技术研发54 .型号研发75 .售后服务8总论当前，中国正在发挥举国体制的优势，集中力量进行大型飞机和发动机的研制，了解这个先进技术国家的航空发动机研发体系，吸收其中好的东西，对我国的研发体系建设具有重要的参考价值，可谓“洋为中用”。这里特别需要指出，了解发达国家的做法，绝对不是说要跟着人家跑，跟着跑是永远没有出息的。国际合作是靠不住的，国际合作也要考虑的不同的情况和不同的条件，不能生搬硬套。本系列文章对美国的研发体系，包括基础研究、预先研究、技术研发、型号研发、售后服务体系予以论述，并且讨论了以及它们之间的

2、关系和相互衔接作用。从本文的论述可以看出，航空发动机的自主的设计和研发体系建设，不能只强调基础研究和预先研究，也不要强调试验研究和核心机研究等。实际上，基础研究、预先研究、技术研发、型号研发等阶段缺一不可，而且相互之间是相互依赖和相互继承的关系。1 .基础研究以低污染燃烧为例，上世纪70年代，美国提出要开展航空发动机低污染燃烧技术研究，而且重点是放在氮氧化物，这样就引出了一批基础性的研究课题，最主要的是氮氧化物生成机理的研究。氮氧化物生成机理的研究之前也有人做过研究，在此基础上，若干年后，大体上搞清楚了最重要的还是热的氮氧化物生成机理。在这一问题明确以后，氮氧化物生成机理的研究就基本上停止；基

3、本机理清楚后，既可以开始预先研究。N2O+MUN2+O+M(1)Mo+O二NO+NO(2)NQ+CM+a(3)N2O+HUN2+OH(4)N2O+HNO+NH(5)N2O+OHN2+HO2(6)N2O+COUNO+NCO(7)氮氧化物生成机理的研究并不是航空发动机公司投入研究经费，也不是航空宇航管理部门出资，这些研究大都是科学基金资助,基本上以高校为主开展。特别注意也不是基础研究完成之后，才开展技术研发。基础研究阶段后并非就此结束，以后的技术研发和型号研发阶段还会遇到许多基础的问题。比如上述的有关低污染燃烧的基础研究，有关氮氧化物的基础研究进行一个阶段，即告一段落。但是近年有开展了低污染燃烧有

4、关的基础研究，即微粒子生成机理方面的研究。基础研究为技术研发和型号研发提供关键性的基础技术，这一阶段的技术问题在技术研发和型号研发阶段前必须要解决。这里举一个实际的例子，即高温升（高油气比）燃烧技术的研发，高油气比燃烧室的研发中一个很大的工程问题是冷却计算方法的确定。冷却计算中最重要的是发光火焰辐射的计算，但是冷却计算中燃烧区碳离子的浓度无法确定，而要计算燃烧区碳离子的浓度，就需要知道碳离子在实际工况条件下的生成速率以及氧化速率，现在尚无法对此准确计算。这是一项基础研究，非常困难，短期内难以解决。但是也不能等它搞清楚了再来算发光火焰的辐射计算，再来搞冷却计算和解决冷却问题，这样高温升技术难以实

5、现。HotsideprobeCo1dsideprobe基础研究中还有一些不是机理性的研究，而是基本数据的研究，这些数据是计算时经常用到的。比如燃烧室上用到的绝热涂料层材料的黑度数据，燃烧室冷却计算的中需要用至U。这一实例说明，不能依靠基础研究来推动发动机的研发，这不可能从根本上解决问题（绝不是我们有些领导说的发动机研发要从基础开始！）。实际上，需要研究的基础问题太多，不可能等到所有基础问题都搞清楚了再来搞研发，一些半经验公式也可以提供给实际的研发使用。在基础研究方面，以高校和有专业研究机构为主，发动机公司不可能投入过多的力量，这也不太现实。解决的途径：第一，收集各方面的报告，特别是有较高可信度

6、的报告。要注意到在进入技术研发，甚至型号研发阶段的时候，还会遇到基础性的问题。像前面说到的低污染燃烧中，空气中的粒子，静电累计，有没有可能引起自燃，这是一个基础问题。发动机公司不可能去做这方面的研究。解决的办法就是去发掘这方面的基础研究报告。但是数据和资料的收集很多情况下会遇到困难，例如前面说到的发光火焰辐射计算，实际上有人已经做了这样的实验，但是未发表，因为这一研究难度大，耗费高，所以不会轻易吗发表，包括作者的经验公式也不公开发表；第二，是与高校和其他研究机构等开展合作，充分发挥和利用他们的资源（技术和硬件等）；第三，自己开展燃烧室实验，利用试验数据来进行对比，推导出经验公式和半经验公式，在

7、应用过程中再不段修正和完善，逐步改进。发动机公司要学会自己推导半经验公式。半经验关系式是个有点像大杂炒，其中包含了别人的研究结果和自己的研究数据，然后进行分析和计算，最后综合得出使用的半经验公式。半经验公式最主要的特点是范围比较窄，都是针对自己特定的研发对象（如燃烧室），在自己的参数范围内可以用，解决实际问题。40.0035.30.0025.SSwir1er4Imp-S1otEffusionZDi1utionOutB1eed20.15.10.5.00OoO发动机的设计者和研发者没有必要去进行基础研究，但是需要掌握坚实的基础知识，比如空气动力学，流体力学，热力学、传热学，甚至化学动力学等等。特别

8、强调，不搞基础研究并不等于不需要基础知识，而是要很充分的了解别人已经发表的基础知识。比如说要做冷却计算，那你必须要知道物性参数如何选择，壁面黑度确定，辐射传热如何计算，对流传热如何计算等等。总而言之，自己设计研发发动机燃烧室，仅仅依靠基础研究，是行不通的。但是要重视利用人家的研究结果，要重视很好的基础知识，这里所说的基础并不是什么高深的理论，而是在实际研发过程中随时的与基础知识联系起来。在燃烧室设计研发中用基础知识来指导研发，在设计研发中随时随地与运用基础知识。2 .预先研究预先研究是指方案性的，概念性的设计，或者是在技术研发前，针对某一问题的专门的研究，也包括方案性的概念设计和可行性论证。仍

9、然以低污染燃烧为例，三十年前NASA召开了一次专业会议，当时已经针对低污染燃烧开展了一些基础研究，会议上明确了低污染燃烧有两个大的策略方向，一个是贫油预混预蒸发（1PP）另一个富油快速淬熄（RQ1）,而且技术上倾向于1PP。但是1PP有自燃的技术难题需要解决。此次会议后，若干个单位，包括NASA,都进行了自燃的实验研究，主要是测量自燃延迟时间。这个是预先研究，也就是还没有进入到技术研发阶段时，预先的对技术发展中的一些问题进行研究，这是预先研究。还有就是方案性的设计研究，即针对某一技术进行方案可行性的研究。最典型的一个高油气比燃烧室的预先研究，其研究结果后来成为了经典性的文章，所有从事高油气比燃

10、烧室的研究人员都会首先阅读这些文献。需要注意的是，搞预先研究允许失败。比如高温升燃烧的预先研究，其难题就是大工况下不冒烟和慢车工况下贫油熄火之间的矛盾。问题明确了，但是解决问题的方案尚未明确。开始的实验都不好，设计了一个可调燃烧室，在火焰筒头部采用了类似照相机快门的可变扰流器，但这个位置温度太高，很容易卡死。而且可变扰流器变化了后，燃烧区的空气动力学也改变，火焰稳定又不好解决，所以这个预研并不成功，但是这并不是说这个研究没有意义。可变扰流器在当时，是高油气比研究中第一个也是最做得好的一个预研，有很大意义，以后的研究都吸收了其中的有价值的地方。现在某国有一个针对2030年以后的发动机研究计划，预

11、计发动机的燃烧室进口压力为72大气压，油气比很高，为0.062,这个时候进气温度非常高。对于此项计划，现在当然谈不上技术研发，只搞些预先研究，方案如何确定，怎么组织燃烧，燃烧空气多少，冷却问题如何解决，燃油温度高导致喷嘴结焦如何解决等等问题，目前没有人能给出答案，制定这一计划，就是要大家就放飞思想，给出解决问题的思路。总而言之，预先研究就是海阔天空，放飞思想。比如有人现在提出一个新潜艇装置的设想，这个水下的潜艇可以飞出来，飞到空气里就是飞机，到水里就是潜艇。这是一个很有吸引力的设想，但是要做大量的预先研究。预先研究与技术研发又有不同。预先研究不包括整台发动机，也不可能包括整台的燃烧室（全环形实

12、验）或者压气机整机实验，这不是预先研究范畴。预先研究还有一个更重要内容，就是可行性论证。即方案本身是否可行，可以走得通，这是预研中间非常关键的一步。如果不可行，那就不要进入到技术研发阶段。如果方案可行，条件也允许，而且需要，则进入到技术研发阶段，这一阶段叫可行性论证。可行性论证可以是计算、实验，局部实验，模型实验，搜集数据等等，这个阶段要回答方案是否可行，即这些技术用在发动机上可行不可行。当然可行也并不保证说一定没问题，后面还要进行技术研发。预先研究必须要经过可行性的论证，它是技术发展中的某一个阶段，但是这个阶段要跟技术研发区分开来。当然二者互相渗透，但两个阶段是有区别的。3 .技术研发技术研

13、发与预先研究有很大区别，在预先研究阶段，某一方案通过了可行性论证，可以进入技术研发阶段。技术研发的最主要特点是掌握技术或实现新技术，也就是说，在一个符合发动机的条件情况下，符合一种类型的型号参数情况下实现技术，这与型号研发还不完全一样。技术研发对于先进技术的发动机研发来说，没有这一段后来的型号研发就谈不上。现在，国内在这一阶段比较薄弱，跳过这一段直接进入型号研发阶段是很危险的，在国外有可能因为型号不过关而失败或导致公司破产。特别强调指出，预研是在大部分情况下，是针对一个问题，针对一个方案，针对可行不可行而开展的研究。而技术研发是针对一代发动机或一个部件在技术上要予以实现，而不是可行不可行。两者

14、的最大差别就是，预研是回到方案可行不可行，做一些方案性的设计，并不是硬件上真正拿到手的，而技术研发室是在硬件上的真正实现,一般是在核心机上或者发动机整机上验证。同时，技术研发在软件上也要实现，软件方面，包括要有一定的设计计算方法，也就是说，技术研发需要有软件和硬件。光有软件不行，光有硬件也不行。技术研发就是拿到技术，这个技术可以为型号研发奠定基础，这样型号研发就有把握。当然，技术研发和型号研发又不同。其不同之处在于，型号研发有很多工程性的问题，而技术研发不太考虑寿命问题和工程问题。型号研发和技术研发最大的区别是一个搞技术，一个搞产品。到型号研发上，不再搞软件上的发展，因为以前已经搞过了，这是型

15、号研发的特点。所以要将以前做过的工作，结合到产品上然后卖出去，但是技术研发不是搞产品，而是搞技术，这个技术包括软件，包括硬件。当然，在技术研发主要是气动热力设计，主要是解决技术性能技术问题。但是，必然也牵扯到机械设计，它并不是重点，但必然牵扯到。技术研发一般不牵扯到寿命问题，但是必须要考虑到寿命，价格，加工，使用上的问题。技术研发是针对某一个类型的发动机，比如说压比20,30或40的发动机。技术研发阶段，时间不是那么紧，时间节点要求不是那么严格，也允许失败。但是型号研发大为不同，型号研发一旦失败，就等于公司破产了。技术研发上也有同时几种方案同时进行的，有时是必不可少的。总的说来有很多问题要在技

16、术研发时暴露出来，避免型号研发阶段出现大问题，例如加工工艺问题（激光打孔，铸造、材料和试验器材的问题），这些问题都尽量在技术研发阶段都能暴露出来，对以后的型号研发大有好处。所以，技术研发是非常关键的。型号研发中有大量的工程问题，在技术研发阶段也有工程问题，只是少一些。因为在技术研发阶段，没有具体的考虑过多的工艺问题、装配问题、公差问题和磨损等问题。在整个的发动机研制阶段，某国的军方起了非常大的作用。军方不仅仅是订货，他还是技术的引领和组织者（当然，主要是军用产品）。发动机技术研发中，起领跑作用的是军用发动机，而不是民航发动机。强调一下，某国的军方和空军实验研究室，军用产品都是军方主抓。而民航NASA主抓，工业用燃气轮机由能源部主管。要说明的是，发动机公司不管有没有型号，每年都会投