航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中的矛盾與統(tǒng)一

1、自然辯證法概論課程論文航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)總體設(shè)計(jì)中的對立與統(tǒng)一矛盾關(guān)系摘要本人在航空宇航推進(jìn)工程專業(yè)的學(xué)習(xí)中，經(jīng)過本科四年的學(xué)習(xí)、實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)、 概括，總結(jié)出在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)總體性能設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中體現(xiàn)出的幾大主 要的對立與統(tǒng)一的矛盾關(guān)系，這些關(guān)系涉及到航空發(fā)動機(jī)工程的飛機(jī)與發(fā)動機(jī)匹 配、發(fā)動機(jī)主要指標(biāo)、發(fā)動機(jī)加工與制造、發(fā)動機(jī)部件與系統(tǒng)、科研與工程等方 面。本文選取其中幾個代表性的矛盾，并找出航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)工程中的主要矛盾， 詳細(xì)在文中描述出來。本文寫作盡量使用通俗易懂的非專業(yè)性術(shù)語，希望對于非 航空航天專業(yè)的人士系統(tǒng)地認(rèn)識航空發(fā)動機(jī)工程產(chǎn)生一定的幫助。關(guān)鍵詞航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)；總體性能設(shè)

2、計(jì)；矛盾關(guān)系目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 摘要 I HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 引言 1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 巡航高度的矛盾 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 發(fā)動機(jī)涵道比設(shè)計(jì)的矛盾 3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝的矛盾6 HYPERLINK l bookmark22

3、o Current Document 部件性能和總體性能的矛盾9 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 結(jié)論與建議 11 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 參考文獻(xiàn) 12引言自然辯證法是總結(jié)人類社會中所有科學(xué)、技術(shù)，而形成的對于自然、人類社 會及他們的關(guān)系的認(rèn)識，通過對自然科學(xué)的不斷探索形成符合客觀的世界觀、方法論，是一個總結(jié)性、從具體到抽象的研究過程。所以可以通過深入研究任何一 門自然科學(xué)和技術(shù)，抽象化概括得到關(guān)于人類和自然的關(guān)系的認(rèn)識。航空發(fā)動機(jī)的類型包括航空活塞發(fā)動機(jī)、航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、航空

4、沖壓發(fā) 動機(jī)、航空脈沖爆震發(fā)動機(jī)、航空渦輪基組合發(fā)動機(jī)等。其中航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動 機(jī)是現(xiàn)在運(yùn)用最廣泛的類型，也是發(fā)展前景十分光明的一種類型的航空發(fā)動機(jī)。本文中以下將航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)簡稱為航空發(fā)動機(jī)或發(fā)動機(jī)。從航空發(fā)動機(jī)作為產(chǎn)品的角度，在不同類型的發(fā)動機(jī)上我國落后于西方先進(jìn) 國家，航空發(fā)動機(jī)長期不能滿足裝備發(fā)展的需要。經(jīng)過多年發(fā)展，我國航空發(fā)動機(jī)行業(yè)積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)， 也有了部分自 主知識產(chǎn)權(quán)的定型發(fā)動機(jī)。但距離西方先進(jìn)產(chǎn)品還有一定的距離。本文從航空發(fā)動機(jī)總體設(shè)計(jì)工程實(shí)際出發(fā)，圍繞幾個主要的方面，分析了設(shè)計(jì)航空發(fā)動機(jī)過程中面臨的幾大主要矛盾以及他們之間對立統(tǒng)一的聯(lián)系，抽象、 概括、總結(jié)出其中

5、蘊(yùn)含的自然辯證法原理。巡航高度的矛盾民用航空載客飛機(jī)是民用航空中重大的一部分。由于越接近高空，空氣越稀薄，氣體密度、壓力、溫度越低，飛機(jī)飛行阻力越小。此時對于航空發(fā)動機(jī)來說， 所需要提供的推力小，并且發(fā)動機(jī)進(jìn)口空氣溫度低，發(fā)動機(jī)的空氣壓縮部件所需 要的能量較小。因此，越接近高空，發(fā)動機(jī)的耗油量越低，則民航公司越節(jié)省費(fèi)用。于是民航客機(jī)的飛行高度往往在 10千米以上。這是矛盾的一個方面。圖1大氣溫度隨高度變化曲線然而由于高空中的空氣稀薄，為了使客艙中的旅客感到舒適，客機(jī)常需要對機(jī)艙加壓，使用空氣壓縮裝置保持機(jī)艙內(nèi)空氣壓力達(dá)到 2千米以下高度水平。因 此機(jī)艙內(nèi)的空氣高壓與機(jī)艙外的大氣低壓使得客機(jī)機(jī)體

6、承受了巨大的負(fù)荷，好像一個吹起的氣球。為了保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，飛機(jī)機(jī)體不得不采用多種形式的加 周。因此，飛機(jī)的飛行高度越高，飛機(jī)機(jī)體加固的程度越大，飛機(jī)的重量也越大。 由于飛機(jī)的重量增加，飛機(jī)所需要的升力增加了，對于發(fā)動機(jī)提出了更高的推力 要求。綜合來說，飛行高度增加造成的機(jī)體加重，增加了發(fā)動機(jī)的油耗，提高了 航空公司的成本。因此民用航空飛機(jī)的飛行高度被限制在一定的范圍以內(nèi)。 這是 矛盾的第二個方面。在客機(jī)飛行高度這個矛盾問題下，矛盾的兩個方面既有對立，又有統(tǒng)一。對 立體現(xiàn)在更高的飛行高度能夠減少推力需求和發(fā)動機(jī)做功，而更低的飛行高度能 夠減少飛機(jī)的重量。當(dāng)飛行高度低的時候，矛盾的第一方面占據(jù)

7、主導(dǎo)地位，當(dāng)飛 行高度過高時，矛盾的第二方面占據(jù)主導(dǎo)作用。最終確定的飛行高度是兩個方面 互相作用的結(jié)果。一般的民航客機(jī)，巡航飛行高度確定在海拔11千米附近。止匕外，民航飛機(jī)在飛行過程中經(jīng)歷起飛、爬升、高空巡航、下降、著陸這 5 個階段，根據(jù)飛行距離的變化，這五個階段在總飛行時間中所占的比例也會發(fā)生 變化。舉例來說，若飛機(jī)的飛行距離增加，則飛機(jī)將有更多時間保持在高空巡航 的狀態(tài)；反之，爬升、下降2各階段所占的比例將會增加。由于前面所述的原因，客機(jī)在高空巡航狀態(tài)下更加省油，而爬升狀態(tài)由于發(fā)動機(jī)推力大更加耗油， 因此 民航客機(jī)努力增加高空巡航狀態(tài)所占的比例， 以降低全航程平均耗油。因此飛行 航程成為

8、了影響飛行高度的因素：當(dāng)飛行航程遠(yuǎn)時，民航客機(jī)傾向于增加飛行高 度，使得長時間的高空巡航具有更低的油耗； 當(dāng)飛行航程較短時，民航客機(jī)傾向 于降低飛行高度，使得爬升過程更少的消耗燃油。ChYcnkm希牌立力|：比Try*鶯用圖2民航飛機(jī)飛行任務(wù)剖面總結(jié)來說，在民航飛機(jī)飛行高度的問題中，飛行高度是矛盾的現(xiàn)象，而保證 飛行安全、降低飛行成本則是矛盾的本質(zhì)。發(fā)動機(jī)涵道比設(shè)計(jì)的矛盾航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)有渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動 機(jī)、渦輪軸發(fā)動機(jī)、開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)等形式，其中在民用航空領(lǐng)域運(yùn)用最廣的， 是渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。外嚅道 內(nèi)福道 燃燒軍圖3渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)簡圖渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)是在簡單的

9、渦輪噴氣發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，增加壓氣機(jī)前的風(fēng)扇和 壓氣機(jī)外的外涵道構(gòu)成的。從渦輪噴氣發(fā)動機(jī)改為渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)后，由于空氣 流量增加，在同等的推力下噴氣的速度大大降低，因此對于飛行中的飛機(jī)來說， 推進(jìn)效率大大提高。因此，渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)比渦輪噴氣發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能更好，適合民用航空飛機(jī)的使用。渦槳-C0C普 AON 山一 JkHLUu/Myj.JrldoHd60604020純渦輪噴氣高涵道比Ihigh by-pasa ratiu)勺道比(lowvby- pass rairo JC 200 4co 600 aoc 1000AIRSPEED mph圖4推進(jìn)效率與涵道比關(guān)系曲線在渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中，增加發(fā)動機(jī)的

10、涵道比（即流過發(fā)動機(jī)外涵道的空 氣流量與流過發(fā)動機(jī)內(nèi)涵道的空氣流量之比）即能夠增加空氣流量，提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性。因此工程師們努力設(shè)計(jì)更大的發(fā)動機(jī)涵道比，在過去 40多年間，渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的涵道比不斷增加，從最初的涵道比在 1以內(nèi)，增加到如今涵道比10以上，甚至出現(xiàn)了涵道比超過20的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)。增大涵道比就能提高經(jīng) 濟(jì)性，這是矛盾的第一個方面。另一方面，隨著涵道比的增加，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)也需要相應(yīng)的變化。第1,涵道比增加需要更大的風(fēng)扇、更長的風(fēng)扇葉片。因此風(fēng)扇葉片所受的離心力會增加， 風(fēng)扇的強(qiáng)度要求增加，重量也相應(yīng)增大；第2,涵道比增加，需要更大的外涵道，因此發(fā)動機(jī)外涵道重量也會增大；第 3,涵道比

11、增加，風(fēng)扇對空氣做的功也會增加，由于風(fēng)扇是由發(fā)動機(jī)后部的渦輪帶轉(zhuǎn)的， 因此渦輪需要產(chǎn)生更大的功率；第 4,涵道比增加，為了限制風(fēng)扇葉片尖端速度，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子需要相應(yīng)減小，則渦輪 的轉(zhuǎn)速也會相應(yīng)減小。由于渦輪既需要功率增加，又不得不轉(zhuǎn)速減小，因此渦輪 需要更多的級數(shù)，即發(fā)展成為多級渦輪。這進(jìn)一步增加了發(fā)動機(jī)的質(zhì)量?？傊?涵道比的增加造成了發(fā)動機(jī)整體重量的增大， 又造成了飛機(jī)總重量的增大，使得 飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性下降。這是矛盾的第二個方面。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)矛盾兩個方面的相互作用的結(jié)果， 就是涵道比處在一個既盡 量大，而且在工程材料和加工工藝能夠允許的極限范圍以內(nèi)。并且隨著科學(xué)探索、工程經(jīng)驗(yàn)、材料技術(shù)、加工工

12、藝的不斷進(jìn)步，四十多年來，渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的涵 道比從1以內(nèi)增加到如今CFM公司發(fā)展的LeapX發(fā)動機(jī)具有的高達(dá)12以上的 涵道比。并且發(fā)展出了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、 復(fù)合材料外涵包覆材料、空心風(fēng)扇葉 片等高技術(shù)?？梢钥闯?，渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的涵道比與結(jié)構(gòu)重量之間的矛盾，推動了渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的長期不斷發(fā)展。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝的矛盾飛機(jī)發(fā)動機(jī)是一個復(fù)雜精密的機(jī)械系統(tǒng)， 追求在更小的體積內(nèi)，產(chǎn)生更大的 推力，這對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。這其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝之間也存在對立統(tǒng)一的關(guān)系。圖5外形復(fù)雜的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是保證部件的功能全面、效率高、體積小，因此，部件結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中努力追

13、求形式復(fù)雜、表面光滑、加工誤差小、部件間隙小。舉例來說，航 空發(fā)動機(jī)渦輪部件中渦輪葉片葉尖與渦輪涵道內(nèi)壁之間的縫隙會漏氣，造成渦輪效率的下降，因此在設(shè)計(jì)中盡量減小渦輪葉尖和內(nèi)壁間的縫隙。冉舉例來說，為了保證渦輪葉片在高溫的燃?xì)饬髦斜苊馊刍?、變形和長久工作，需要在葉片中通 入冷氣以進(jìn)行冷卻，因此設(shè)計(jì)中盡量保證以更少量的冷氣、完整覆蓋葉片表面， 并對溫度高的部位加強(qiáng)冷卻，因此葉片內(nèi)冷卻通道極為復(fù)雜。下圖為某空心渦輪 葉片橫截面上展現(xiàn)的葉片內(nèi)冷卻通道。圖6結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空心渦輪葉片加工工藝包括工程材料的選取、工程材料的加工方法、加工設(shè)備、加工誤差 標(biāo)準(zhǔn)、加工配合標(biāo)準(zhǔn)、通用零件標(biāo)準(zhǔn)等。追求的目標(biāo)，是制造工

14、程節(jié)約、經(jīng)濟(jì)、 快速、簡單、標(biāo)準(zhǔn)化、易維修等。因此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對加工工藝提出了極高的 要求，許多優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于加工工藝水平的限制，或者不能采用，或者實(shí) 際性能與設(shè)計(jì)性能相去甚遠(yuǎn)。舉例來說，若渦輪葉片尖端與渦輪內(nèi)涵道內(nèi)壁縫隙 設(shè)計(jì)值過小，則需要付出很大的代價對葉片和內(nèi)壁進(jìn)行高精度的加工，加工后的表面還需要高精度的檢測，這引起發(fā)動機(jī)制造的成本大幅上升。并且由于精密加 工工藝總伴隨著良品率的下降，若不符合設(shè)計(jì)要求的葉片被安裝在發(fā)動機(jī)上， 在 工作中，渦輪葉片與涵道內(nèi)壁可能發(fā)生蹭磨。這種蹭磨輕則導(dǎo)致渦輪功率損失， 磨損后的葉片間隙增加，重則可能折斷葉片，毀壞發(fā)動機(jī)，危及整價飛機(jī)的安全。 再舉例

15、來說，若空心渦輪葉片冷卻通道設(shè)計(jì)的過于復(fù)雜， 則先進(jìn)的加工工藝會造 成制造成本上千倍的增加，往往幾十個加工成品中才能找到一個滿足設(shè)計(jì)要求的 渦輪葉片。若要提高良品率，則渦輪葉片冷卻通道的設(shè)計(jì)只能更加簡單， 導(dǎo)致渦 輪葉片壽命減少，頻繁的檢修、更換，同樣增加了成本。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝矛盾的作用下，一方面發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)被約束在一定的 加工工藝允許的范圍之內(nèi)，性能受到較大的約束，另一方面很高的設(shè)計(jì)要求對加 工工藝造成了非常大的挑戰(zhàn)，需要不斷更新最先進(jìn)的設(shè)備、不斷培訓(xùn)更熟練的工人、不斷探索能夠達(dá)到的更高的公差配合 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝的矛盾運(yùn)動， 使得多年來航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展日新月異， 加工工藝水平不斷進(jìn)

16、步，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)也 越來越復(fù)雜、精確、可靠。設(shè)計(jì)要求和工藝水平是一個矛盾的兩個方面，這兩個 方面互相制約、互為條件，推動彼此不斷的進(jìn)步，造成航空發(fā)動機(jī)螺旋式發(fā)展。部件性能和總體性能的矛盾航空發(fā)動機(jī)是一個復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)， 是由多個零件、部件組合而成的。但總 體和部件之間也存在矛盾，這是航空發(fā)動機(jī)總體性能設(shè)計(jì)工程中不得不面對的重 大矛盾，在我看來，也是航空發(fā)動機(jī)總體性能設(shè)計(jì)中的基本矛盾。首先，部件設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)的目標(biāo)既有矛盾又有統(tǒng)一。部件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是盡量好的滿足部件性能要求，即部件效率高、強(qiáng)度大、重量輕、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)性 好、工藝性好、維修性好因此部件設(shè)計(jì)希望運(yùn)用更多資源， 達(dá)到甚至超出同 行的產(chǎn)品

17、。但由于部件性能往往隨著工作狀態(tài)的改變發(fā)生變化， 工程師們設(shè)計(jì)的 部件往往不能在更廣的工作范圍內(nèi)保持高效率工作， 而且越先進(jìn)的部件，其最佳 工作區(qū)間往往越小，工作條件越苛刻。下圖為一典型壓氣機(jī)特性圖，可以看出， 壓氣機(jī)的效率和增壓比的變化是非線性的，壓氣機(jī)高效工作的區(qū)間很小。圖7典型的壓氣機(jī)特性曲線總體性能設(shè)計(jì)中，追求的目標(biāo)則是各個部件均能夠工作在較高的效率區(qū)間、 部件之間匹配性好、發(fā)動機(jī)整機(jī)易于有效的調(diào)節(jié)和控制、發(fā)動機(jī)能夠適應(yīng)更復(fù)雜 和廣泛的工作條件 發(fā)動機(jī)部件之間的匹配，是指由于發(fā)動機(jī)各部件組成一個 系統(tǒng)，空氣依次流過各個部件，許多部件在結(jié)構(gòu)上以物理組合的形式相連接，因此工作中必然相互影響

18、，必須滿足流量連續(xù)、轉(zhuǎn)速相等、壓力平衡等條件，若所 提供的部件的最佳工作區(qū)間很少重疊， 或者工作條件要求苛刻，對總體設(shè)計(jì)是有 害的。因此對于總體性能設(shè)計(jì)，追求總體性能的高效、穩(wěn)定，但并不要求各部件 均工作在唯一的最佳點(diǎn)。由于部件性能和總體性能設(shè)計(jì)的矛盾，航空發(fā)動機(jī)總體性能設(shè)計(jì)工程師往往10 要求部件性能滿足一定的要求，但個別部件的性能突出并不能帶來明顯的總體性 能的提升，甚至?xí)斐裳邪l(fā)費(fèi)用的超標(biāo)。因此成熟可靠的發(fā)動機(jī)往往需要在舊的 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)而得到，不斷趨于穩(wěn)妥，最新的科學(xué)技術(shù)總不能立刻應(yīng)用于 航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐之中。相應(yīng)于航空發(fā)動機(jī)總體設(shè)計(jì)和部件設(shè)計(jì)的這一對矛盾，我們應(yīng)當(dāng)使主觀

19、和客 觀相符合，上層建筑與實(shí)踐基礎(chǔ)相符合。即調(diào)整航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)工程的組織形式， 與航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)工程的客觀規(guī)律相匹配。具體來說，即是將產(chǎn)品研發(fā)和尖端科 技創(chuàng)新區(qū)分開來：對于產(chǎn)品研發(fā)，應(yīng)當(dāng)以產(chǎn)品為導(dǎo)向，以系統(tǒng)總體的最大效率為 目標(biāo)，各部件借助成熟可靠的技術(shù)資源，滿足一定的性能需求；對于科研創(chuàng)新， 則應(yīng)當(dāng)不斷探索技術(shù)和科學(xué)的邊界， 大膽采用新的構(gòu)想、新的方法，不斷積累工 程經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)客觀規(guī)律。優(yōu)秀的總體性能來源于各部件的穩(wěn)定和共同工作， 而各部件的性能進(jìn)步，支 持著總體性能不斷開拓新的可能。正是在部件和總體的對立統(tǒng)一關(guān)系下，航空發(fā) 動機(jī)70多年的發(fā)展歷史中，開發(fā)、應(yīng)用了無數(shù)最新的科學(xué)技術(shù)，不斷改進(jìn)已有 的加工工藝和設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)造出了性能越發(fā)優(yōu)秀、工作越發(fā)可靠、成本越發(fā)節(jié)約、 種類越發(fā)繁多的航空發(fā)動機(jī)，并且在不斷的量的變化中，出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)形式、 設(shè)計(jì)思路的質(zhì)的變革。結(jié)論與建議除過以上所詳細(xì)說明的幾大體現(xiàn)在航空發(fā)動機(jī)總體性能設(shè)計(jì)中的矛盾外，經(jīng)過我的總結(jié)，航空發(fā)動機(jī)具體工程實(shí)踐中體現(xiàn)的矛盾還有：設(shè)計(jì)壽命與循環(huán)壽命的矛盾；支線客機(jī)與長航程客機(jī)之間的矛盾；基礎(chǔ)科學(xué)與工程應(yīng)用的矛盾；噪聲標(biāo)準(zhǔn)