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我国航空发动机产业的发展现状及趋势

日期: 2017-04-20
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航空发动机,被誉为“工业之花”,是构成国家实力基础和军事战略的核心技术之一。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,突破关键技术、走自主研制航空发动机之路是我国的必然选择。本文主要介绍了我国航空发动机产业现状和数字化制造技术、PDM、PLM、CIMS系统在产业中的应用,并且介绍了相关制约我国航空工业发展的核心技术的发展情况。
一、航空发动机产业的主要特点以及瓶颈技术
从发达国家航空发动机产业发展历程看,航空发动机产业主要有以下特点:

1、航空发动机产业是保持大国地位的核心,是工业强国的象征。

美国政府一直严格控制航空发动机技术,不仅对我国保持封锁,甚至在某些核心技术上也对其欧洲盟友实行“禁运”。在未来 10 ~ 20 年,航空发动机产业仍然占据了美国国防科技战略的核心位置。同时,发达国家在人力资源方面实行看不见的封锁,不仅限制其他国家人员进入航空发动机核心研制领域,而且限制本国相关人才向国外转移,以此来保持产业实力。

2、航空发动机产业需要国家进行长期、稳定的扶持与投入。

航空工业是典型的高技术、高投资、高风险、高附加值和国际化的工业,而航空发动机更是如此,研制周期长、耗资巨大。根据国外经验,典型的发动机研制周期约为 8~14 年,整个发动机的使用寿命期约为 30 年。研制经费在历年增长,根据发动机型号大小、研制条件的不同,研制一台先进的大中型航空涡轮发动机,大致需要 15 亿~30 亿美元。美国长久以来一直通过国家长期、稳定的大力支持和投入,实施多项超前于具体型号的纯粹综合性技术研究性的中长期研究计划和短期专项研究计划,为发动机研制提供了充足的技术储备,降低了工程研制的技术风险,缩短了研制周期。正是因为这种长时间的巨额投入才保持了美国在航空发动机产业的领先地位。

3、航空发动机的技术门槛很高。
3.1、航空发动机设计之难
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:

图1  国外某型号航空发动机内部结构示意图

3.2、航空发动机材料之难
发动机最关键的是压气机、燃烧室和涡轮。特别是涡轮,在工作过程中,现代喷气发动机的涡轮叶片通常要承受 1600~1800℃的高温,同时还要承受 300m/s 左右的风速,以及由此带来的巨大的空气压力,在这种极为恶劣的工作环境下可靠工作成千上万个小时。如此恶劣的工作环境远远超出一般金属材料的能力,为此需要其他特殊的材料。这就是定向凝固高温合金、单晶、金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷基复合材料,如碳化硅纤维增强的陶瓷基复合材料,使用温度可达 1500℃,远远超过超合金涡轮叶片的使用温度(1100℃)。

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。下图为2012年9月上海大学自主研发的通过验收的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5—10厘米的差距。

图2 我国自主研制的单晶体叶片

3.3、航空发动机制造之难
要让航空发动机在极端苛刻的工作状态下保持足够的强度正常运转,发动机的制造除了需要新型耐高温材料外,还需要采用众多复杂先进的的制造工艺。

航空发动机的制造涉及材料、结构、焊接等众多难度极高的工业技术。如喷气式发动机上大量使用高强度材料和耐高温合金,零部件精度要求达到 μm级,叶片型面复杂,燃烧系统和加力系统薄壁焊接零件多,大量使用定向凝固、粉末冶金、复杂空心叶片精铸、复杂陶瓷型芯制造、钛合金锻造、微孔加工、涂层与特种焊接等先进制造技术。如航空发动机整体叶盘,每个原始毛坯成本约二三十万,加工到成品要经过几十道工序、数百次换刀、上千次进退刀。A4 纸大小的整体叶盘叶片最厚2mm,最薄处只有 0.2 ~ 0.3mm,绝不允许有任何瑕疵。再如涡轮叶片需要精细设计制造出多通道空心涡轮叶片,利用气膜冷却降低叶片表面温度,以便发动机上叶片在极端苛刻的工作环境下满足发动机工作的需要。

二、我国航空发动机制造业的现状及发展
 航空发动机零部件制造过程一直是新技术、新工艺应用的重点领域,同时也是对技术更新有迫切要求的行业。航空发动机零部件数字化制造技术涉及 CAD/CAM 技术、数控设备、产品数据管理、信息集成等诸多技术内容,其核心是产品数据的数字化表达、存储和交换,基本平台是计算机网络、数字化设备,基本方式是协同、并行和集成。数字化工艺设计、数控加工技术、虚拟制造技术、智能控制技术以及企业资源数据管理技术等构成了产品研制协同设计制造过程中的基础支撑技术。

近年来,CAD/CAM/CAE 技术、高性能数控机床及控制系统应用的不断深入,推动了航空发动机产品数字化制造技术的发展,从根本上改变了传统的工艺设计和制造模式,数字化制造已经成为提高航空发动机制造企业制造能力和研制能力的重要手段之一。

1、我国航空发动机精益生产的状况及发展

1.1 、我国航空发动机企业精益生产现状
    近年来,国内航空产品的型号任务大幅增加,给企业带来收益的同时,也暴露出相关发动机生产企业在精益生产方面的问题,现以我国航空发动机制造商黎明公司和国外著名军用发动机制造商普拉特惠特尼公司为例,比较二者精益生产方面的差距:

(一)组织模式的差距
    普惠公司是专业化发动机企业,而黎明公司按照当年原苏联模式建立起来的发动机工厂,是“大而全”的模式。

(二)自制零件数量的差异
    1995 年经过第二次精益之后的普惠公司有 3 万员工,只有 2000 多种自制零件。而黎明公司只有 5000 名员工,却有万余种自制零件。

(三)资源布置方式的差异
    我国航空发动机企业大多是集群式的组织模式,流水生产线正在建设之中,大多没形成能力,而且建立起来的生产线由于只是局部的流水线,局部效率虽有所提升,但对整体的精益贡献不大。

(四)生产效率的差异
第二次精益生产改革完成后,普惠公司供货周期降为 4 个月以内,库存降低了 70%,质量问题减少 50%,零件成本降低了 20%。黎明公司供货周期为 6~8 个月,库存占用巨大,存货费用居高不下,质量问题频发,制造成本非常高。
 
1.2、我国航空发动机生产企业的精益生产途径
基于航空发动机企业目前的状况,比照目标企业普惠公司,我国航空发动机企业推进精益生产的方法和途径:

(一)坚持产品专业化是推进精益生产的前提
    航空发动机企业必须走专业化之路,这是推进精益生产的前提。最简单的道理可以说明,每一个零件的精益制造都会需要大量的工装夹具,2000 个零件和 10000 个零件之间的差距不是 8000那么简单,而是 8000 的十倍以上,没有专业化想推进精益是不可能的。

(二)实行生产布局流水化是推进精益生产的基础
以产品价值流为导向,优化产品生产流程,改变过去生产单位集群式组织模式,成立按价值流、物流和信息流流动方向设置的若干条流水线,使产品在尽量短的流水线内封闭,流水线对承制产品的交付负责,实现零件生产的流水化推进,并最大限度地推进“单件流”。将负责技术、准备的相关人员分别配到生产线上,支持生产线运行,既可以保证价值流和物流的通畅,又可以减少信息流的阻滞,降低了管理难度。

“生产流水化”、“班组单元化”是普惠公司 1985 年开始的做法,黎明公司从2010年开始实施,并结合公司科研多、批产少的特点,提出“科研独立化”,在进一步提高现有设备使用效率和补充部分资源的条件下,局部实现科研和批产分线。实施两年来取得了显著效果,产能提升了一倍多。

(三)抓好生产准备精细化是推动精益生产的关键
精益生产的核心在理念,但最关键的是生产准备。树立精益理念,优化工艺流程。工艺流程优化就是要树立精益理念,以提高整体效率为目的,对单道工序用时太短的要合并,单道工序用时太长的要增效,加工难度大的工序要靠工装或设备保证质量,减少“短板”和“瓶颈”,以保证各道工序的均衡化。

(四)加快生产管理信息化是推进精益生产的手段
    我国航空发动机生产系统中存在的最大问题是信息流不畅,因为手段落后,信息不准、信息延迟、不能共享等问题大量存在。必须加快推进 ERP、MES、PDM、条码等信息化系统的应用。这些信息系统的应用要在集成和本企业化上下功夫,进行二次开发,对推进精益生产意义重大。

2、基于 MBD 技术的数字化工艺及其应用
 MBD(Model Based Definition),即基于模型的工程定义,是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体,它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。MBD改变了由三维实体模型来描述几何形状信息,而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。

MBD 设计数据主要包括几何模型、注释和属性3部分。具体分解为零件的几何模型、零件的尺寸和公差标注、零件结构树几何定义部分、零件结构树标注定义部分、关键特征的标注、零件的注释说明、零件加工工艺过程所必须提供的产品描述性定义信息和装配连接定义。

MBD 设计数据是建立在能够准确表达设计理念的基础之上的,一方面,能够直接获取的数据信息包括模型、注释和属性信息,这些数据信息必须建立在相关标准体系完善的前提下,才能够被工艺设计直接引用;另一方面,工艺设计需要完整的数据信息,由于 MBD 数据有大量的未注几何信息,需要定义或制定相应规则加以约束,这样才能保证 MBD 数据的唯一性,而这些数据只能通过提取、分析、查询等技术手段间接获取。

因此,必须在准确把握设计思想的基础上,寻找将 MBD 设计数据转化为工艺数据的解决方案。涉及的主要技术如下:
·三维模型尺寸和公差标注技术;
·多视图生成技术;
·加工要求标注技术;
·特征视图捕获创建与管理技术;
·附加标准依据信息技术;
·采用零件模型进行三维装配模型的标注技术。

目前国内航空企业在 MBD 技术应用方面与国外发达航空企业仍然存在很大的差距,主要表现在:
(1)基于 MBD 技术的产品定义工作尚处于探索阶段;
(2)以 MBD 为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟;
(3)三维数模并没有贯穿于整个产品数字化制造过程中;
(4)MBD 的设计、制造和管理规范还有待完善;
(5)三维数字化设计制造一体化集成应用体系尚未贯通。

下图为MBD技术在航空发动机管路全三维设计与空间布局的应用:

图3 航空发动机管路系统全三维设计与空间布局
 
3、 我国航空发动机企业的CIMS之路
3.1、 在我国的航空发动机制造行业,FMS应该缓行
航空发动机制造难度之大是众所周知的。世界上任何一家供应商都无能力单独向用户提供适用于航空发动机制造的FMS。国外的航空发动机企业在生产现场至今仍无不采用“数控加工调整工”的操作机制,即对于每批零件,首件数控加工均由调整工人进行,转入正常生产后方可转交操作工人进行加工。在这样的场合下,不要说“无人化”绝对行不通,就是安排有人,但人的素质不够也是行不通的。
在国外著名航空发动机制造商法国透博梅卡公司和加拿大普惠公司的技术改造中,尽管这两家公司有相当的实力,但他们都未卷入FMS的浪潮中。因此,国内的航空发动机制造企业在最近10年之内完全可以不做FMS的打算。
 
3.2、  CIMS结构应因零部件工艺特点而异
航空发动机的零部件,主要可分为机匣类、盘类、轴类、整体叶轮类和叶片类等。各类零部件的制造对数控设备的需求差别很大。如果我们把整个企业的CIMS视为一个大的框架,那么落实到各类零部件的生产,还必须对CIMS的实际结构细化。

1)、机匣类零件的CIMS结构
    对于航空发动机机匣类的零部件,应采用CIMS=CAD/CAM+FMC。FMC是柔性制造单元,它是FMS的初级阶段。虽为初级,却要成熟得多。FMC近来的发展也是十分迅速的,超过了FMS的发展速度。

一方面FMC比FMS成熟,可靠性相对较高,二是因为FMC的管理、操作和编程相对于FMS要容易得多,所以凡是对CNC加工中心机床有经验的用户,转为使用FMC时不会有什么困难。这就为机匣类零部件的外包生产提供了便利
近年来,立卧两用加工中心,五面加工中心等大有发展,这对于航空发动机机匣加工是甚为有利的。因此,在规划机匣生产线上的FMC时,应优先考虑以这些功能更齐全、加工范围更广阔的CNC机床为FMC的集成对象

2)、 盘轴类零件的CIMS结构
盘轴类零件加工的主力机床为数控车床,以卧式为主,立式为辅。盘轴类零件的加工安装,广泛使用软爪。软爪的在线修正和工件在软爪上的夹持都依赖于正确的操作。要实现这类操作的全自动化,难度很大,也无必要。航空发动机盘轴件多为钛合金、不锈钢和高温合金的,切忌磕碰,大量的薄壁零件更要求操作者谨慎小心地安装和卸下。但如果以此理由,使数控加工停留在CNC数控车床的单机水平上,则程序的管理和信息的传递都不会顺畅。因此,有必要使数控加工上升到DNC水平,即对于盘轴类零件应采用CIMS=CAD/CAM+DNC。

在设备类型方面,应着重注意对车削加工中心的选择。目前,国内的航空发动机制造尚未使用车削加工中心。

3)、 整体叶轮类零件的CIMS结构
整体叶轮包括压气机轴流叶轮和离心叶轮,今后还可能发展到热端部件的叶轮。各类叶轮也可称为叶片盘。

这类零件的加工特点是材料可加工性差,切削时间长,刀具消耗量大,工件单件价值高,设备需多轴联动,设备价格昂贵等。加工的基础设备是4~5轴联动的数控铣床或加工中心。在生产批量较大时,应考虑采用多主轴的机床。针对走刀时间长,装卸时间短的特点,应放弃可换工作台(托盘)的选择。刀库容量不必过大,机床之间也不必有多少相互联系,因此整体叶轮类零件的加工宜采用CIMS=CAD/CAM+CNC。

法国透博梅卡公司和加拿大普惠公司在布置他们的叶轮生产线时,都将三坐标测量机纳入了生产现场,普惠公司甚至将刀具修磨的设备都安排在叶轮生产线上。这些做法的目的,都是为了让现场加工停歇时间尽可能地缩短。叶轮是价格昂贵的零件,JIT(Just-in-time)能获取很好的经济效益。

综上,随着航空发动机制造的专业化发展,由于零部件之类的不同,航空发动机生产应该采取各自适应的CIMS模式,这样才能提高专业化水平,提升竞争力。

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