航空发动机产业链主要包括发动机主承包商、子系统供应商、小部件及零组件供应商、原材料供应商四个层次,涵盖研发设计、加工制造和运营维护三大环节。
燃气涡轮发动机一般是由燃气发生器(压气机、燃烧室、涡轮)、进排气管(进气道、尾喷管)、滑油系统、燃油系统、空气系统、电气系统及附件传动部件组成,此外还有减速器和动力涡轮(涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机),风扇和低压涡轮(涡轮风扇发动机)等部件。按照零部件结构形式的不同,发动机零部件可分为盘类件、轴类件、鼓筒、环形机匣及环形件、箱式机匣和叶片等。零部件按毛坯提供方式可以分为锻件、铸件和钣金件。现代航空发动机结构极为复杂,一般而言,单个民用航空发动机零部件数量接近两万件。
高性能航空发动机要求在极有限的自重与工作空间、极恶劣的工作条件下保证长期可靠的工作性能,大量采用了复杂的整体轻量结构,同时大量应用了高性能钛合金、高温合金以及复合材料等难加工材料,对制造技术要求极高。先进工艺技术贯穿在航空发动机的整个研制生产过程甚至全寿命周期,装备是工艺技术的载体,只有掌握了先进的工艺和装备技术,才能满足制造高性能航空发动机的需求。
航空发动机典型零部件从成形制坯到加工制造的完整工艺技术链一般包含不同的工艺方法,由多个工艺和工序组成,涉及冷成形、热成形、热处理、机械加工等专业,上下游工艺和工序间的影响不可忽略,最终产品质量问题是全工艺周期各阶段、各工序等综合作用的集中体现。除通用机械加工制造技术之外,现代航空发动机制造特别关注的主要制造技术包括先进金属成型技术、先进焊接技术、特种加工技术、增材制造技术和表面处理技术。
铸造和锻造是最基本的热加工成形技术,大多数航空关键零件是采用铸造或锻造技术来生产毛坯的。相比于铸造,经过锻造的金属坯料组织变得更加致密,力学性能得到增强,同时锻造加工保证了金属纤维的连续性,具有更长的使用寿命,所以针对同种材料,锻造零件的力学性能一般优于采用铸造工艺制备的零件,但是铸造的优点在于可以大量生产形状复杂、用锻造工艺或者机加工很难生产的零件,尺寸精度高,机加工余量小且经济性好。目前航空发动机机的零部件锻件毛坯占毛坯总重量的一半以上。
“近净成形”是目前先进金属成型技术的发展方向,毛坯制成后不再冷加工或者只需少量冷加工就可用作最终使用零件,提高了材料使用率,缩短了加工周期。先进金属成型技术主要包括了精密铸造、精密锻造、精密旋压和粉末冶金等技术,其中精密铸造技术广泛应用于空心薄壁、型腔复杂的涡轮叶片制造,精密锻造技术广泛运用于压气机叶片,根据《航空发动机叶片精锻成形可靠性技术》数据,全球约超过90%的航发叶片使用精锻制造技术进行生产,精密旋压技术在整流罩、燃烧室锥体、压气机外壳等零件上得到广泛应用,粉末冶金技术广泛用于涡轮盘制造。
增材制造技术是基于零件的数字模型将复杂的三维零件分解成多层简单二维结构,然后逐层制造累加,最终实现零件的三维实体,也称为 3D 打印技术。该技术改变了传统的毛坯-加工-处理-装配的工艺路线,能够直接实现复杂结构的制造,在保证零部件性能的同时,简化工艺流程,缩短研制周期。目前航空发动机制造商和零部件供应商已将增材制造技术用于开发商业化的零部件,并不断扩大在航空发动机上的应用。
特种加工技术是指加工过程中不需要利用比工件更硬的工具,也不需要施加明显的机械力,而是直接利用电能、热能、化学能、光能或者它们的组合,使工件材料被去除或改变性能,达到所需的形状、尺寸和表面质量要求。目前常用于先进航空发动机中的特种加工技术包括电加工、高能束流加工以及特种能源加工,其中电加工和高能束流加工被用于涡轮叶片气膜孔的加工,电加工还广泛应用于难切削复杂结构(整体叶盘、机匣、火焰筒等)的成形。
焊接是一种优质高效的实现永久性连接的工艺方法,焊接方法从传统的电弧焊、钎焊,发展到先进的激光、电子束等高能束流焊和摩擦焊等固相焊。电子束焊是采用高速、高能量密度的电子束流作为热源进行焊接的工艺,具有深宽比大、焊接残余变形小、焊接工艺参数容易实现精确控制、在真空环境下焊缝纯净等特点,广泛应用于发动机整体转子、机匣和轴等重要结构的焊接。摩擦焊是利用摩擦生热的原理实现零件焊接的技术,接头强度和可靠性高,是承受较高应力零部件的较为可靠的焊接方法,用于航空发动机制造领域的摩擦焊技术主要包括惯性摩擦焊和线性摩擦焊,惯性摩擦焊需要待焊零件的一端通过旋转来完成,因此适合航空发动机盘轴类零件的焊接,线性摩擦焊被用于将叶片焊接到叶盘上形成整体叶盘。
为了改善零部件的表面状态,满足零部件耐腐蚀、耐磨、耐氧化和耐高温等特殊功能性要求,提高零部件的服役寿命等,需要对零部件表面进行处理,航空发动机中常用的表面处理技术主要包括化学处理、表面强化和涂层技术。化学处理是通过腐蚀、电镀、阳极化等化学处理手段改善材料表面状态的一种表面改性工艺。表面强化是通过表层塑性变形,在零件表面形成高残余应力,提高表面应力集中的“冷变形”工艺,主要用于涡轮盘、压气机盘、叶片等的表面喷丸强化。涂层可分为封严、耐磨、热障等涂层,其中封严涂层可用于机匣组件,耐磨涂层可用于轴类零件,热障涂层可用于涡轮叶片。
由于航空发动机长时间工作于高温、高压和高转速的恶略环境下,对于材料的性能提出了极高的要求,通过总结航空发动机过去的发展历史,可以说一代新材料引领一代新型发动机,根据《先进材料在航空航天中的应用》数据,在未来航空发动机性能的提高中,新材料贡献率将达到50%以上。航空发动机结构演进的目标是提高推重比、功率重量比,增压比和涡轮前温度,这些性能指标的提升要求航空发动机材料具备高比强度以及耐高温性。在航空发动机涡轮和风扇设计水平相同的前提下,涡轮前温度每提高100摄氏度,发动机推力增加 15%,提高涡轮前温度可直接提升航空发动机的综合性能,推重比15~20 以上的发动机,涡轮前温度最高达 2227~2470℃,航空发动机材料的耐高温性能显得尤其重要。
目前航空发动机的主要材料包括高温合金、钛合金、复合材料、铝合金和结构钢等,按重量占比看,高温合金占 55%~65%,钛合金占 25%~40%,铝合金和钢占 10%,复合材料占比低是由于其低密度优点造成的。高温合金是能够在 600℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀,并能在一定应力条件下长期工作的金属材料,是燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。钛合金相比高温合金、钢等金属材料,具有低密度、高比强度、抗疲劳、耐腐蚀、工作温度范围宽等优良性能,轻质高强,减重效益显著,是航空发动机低温部件的主要材料。复合材料具有重量轻、强度高、模量大等特点,目前在航空发动机中使用最广泛的复合材料有用于低温部件的树脂基复合材料,用于高温部件的陶瓷基复合材料、碳-碳基复合材料和金属基复合材料等。
四代战斗机及未来的隐身飞机对发动机的隐身性提出了较高的要求,发动机产生的雷达散射信号和红外辐射信号占整个飞机尾部方向特征信号的 95%以上,如果发动机不能实现后向的隐身,则隐身飞机无法实现全方位的隐身,其作战能力将大打折扣,隐身材料的应用可以在不改变结构设计的前提下降低红外辐射和雷达散射截面(RCS),F119 和 F135 发动机就采用了大量的隐身涂层,比如红外隐身涂层和雷达吸波涂层。
航空发动机的工作过程是极其复杂的气动热力过程,航空发动机随着其环境条件(如高空低速飞行、强气流冲击、武器发射等 )和工作状态(如慢车、巡航、加力、加速及减速状态等)的变化,它的气动热力过程将发生很大的变化,发动机可能会出现压气机喘振、燃烧室熄火、加力燃烧室振荡等不稳定的工作情况。航空发动机控制系统通过对发动机主燃烧室和加力燃烧室燃油量、静子叶片位置、放气阀开度以及尾喷口面积等参数的控制,实现发动机在任何环境条件和工作状态下都能稳定可靠的运行,并充分发挥其性能效益。
航空发动机控制系统从 20 世纪 40 年代简单的液压机械控制、液压机械+电子控制,发展到现代的全权限数字电子控制(FADEC),并向智能/分布式控制方向发展。这一发展的特点可归纳为,由单变量控制系统发展到多变量控制系统,由机械液压式控制系统发展到数字式电子控制系统,由进气道、发动机及尾喷管各部分单独控制发展到三者组成的推进系统综合控制以及飞行/推进系统的综合控制,由集中式控制系统发展为分布式控制系统。

航空发动机全权限数字电子控制系统(FADEC)是一种以计算机为核心的控制系统,不仅能够实现从发动机起动、运行、停车的整个运行过程的全部控制功能,保证发动机一直保持在最优条件下运行,而且集成了发动机故障诊断属性,及时发现发动机的“病变”。FADEC 主要由控制计算机子系统、传感器子系统、燃油与作动子系统、电气子系统等部分组成。控制计算机子系统分为电子控制器(EEC)和嵌入式软件两部分,共同负责处理来自传感器和开关装置的信号,经过各种算法和控制逻辑的计算后输出驱动控制信号,经电缆传输给相应的液压机械装置。燃油与作动子系统包括燃油子系统和伺服作动子系统,燃油子系统包括燃油泵(增压泵、主泵、加力泵和伺服泵)、燃油计量装置、燃油滤、燃油管路、喷嘴等,伺服作动子系统包括伺服控制单元、伺服作动器及相应附件。传感器子系统包括控制用传感器和状态监视用传感器等。
燃油系统涉及发动机的燃油供给以及以高压燃油为液压动力的作动系统,燃油系统的本质属于控制系统的执行环节,其任务是将电子控制器的指令转换为实际的燃油流量和几何位置或角度,其中燃油计量装置 、风扇导叶控制执行机构、压气机导叶控制执行机构、喷口喉道控制执行机构、矢量喷管控制执行机构都是以燃油为介质的液压机械作动装置,用以实现位置或油量的调节功能,增压泵、主泵、加力泵和伺服泵等燃油泵主要负责供油和增压,燃油泵将飞机油箱来油增压到一定水平,并将其分为两股,一股是送往燃烧室的主燃油,另一股则是为执行机构提供动力的伺服燃油。
未来 FADEC 系统将向主动控制、智能控制和分布式控制的方向发展。另外通过采用电动燃油泵、作动器系统和先进的电子硬件,可以提高 FADEC 系统硬件的可靠性,通过采用先进的控制逻辑和设计方法,并与其他机载系统(进气道控制系统、飞控系统、火控系统等)相综合,能够获得更好的系统性能和提高控制品质,同时控制系统的寿命将进一步提高,从而降低系统的研制和使用成本。