航空發動機技術的發展分析*

王振成

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

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航空發動機技術的發展分析*

王振成

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

航空發動機是飛機的心臟,其優異程度代表了該國國防科技水平,也是航空兵的生命保障,更是國防防空反導、抵御外強的尖兵。論文概述了航空發動機,并論述了航空發動機的發展動向與分析。

航空發動機; 發展動向與分析

Class Number V23

1 引言

航空發動機是飛機的心臟,其優異程度代表了該國國防科技水平,也是航空兵的生命保障,更是國防防空反導、抵御外強的尖兵[1]。

2 航空發動機

航空發動機主要有兩種:鍋輪發動機,鍋扇發動機[2]。

2.1 渦輪發動機

1) 組成:渦輪噴氣發動機是由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管五大部件組成。

2) 工作原理:足夠量的空氣,通過進氣道以最小的流動損失順利地引入壓氣機;壓氣機以高速旋轉的葉片對空氣作功壓縮空氣,提高空氣的壓力;高壓空氣在燃燒室內和燃油混合、燃燒,將化學能轉變為熱能,形成高溫高壓的燃氣;高溫高壓的燃氣首先在渦輪內膨脹,推動渦輪旋轉,去帶動壓氣機;然后燃氣在噴管內繼續膨脹,加速燃氣,提高燃氣的速度,使燃氣以較高的速度噴出,產生推力。

3) 重要的參數:

(1)渦輪前燃氣總溫:這是個關鍵的參數,也是一個受限制的參數。它的高低表示了發動機性能的高低,在使用過程中它不應超過允許的最高值,否則要對發動機進行檢查和維修。

(2)發動機排氣溫度(EGT),發動機重要的監控參數,其高低反映了渦輪前燃氣總溫的高低。

(3)發動機的壓力比(EPR),是指低壓渦輪后的總壓與低壓壓氣機進口處的總壓之比,對同一類型的發動機來說,EPR高,發動機的推力就大。

2.2 渦扇發動機

渦扇發動機是噴氣發動機的一個分支,從血緣關系上來說渦扇發動機應該算得上是渦噴發動機的變種。從結構上看,渦扇發動機只不過是在渦噴發動機之前(之后)加裝了風扇而已。風扇把渦噴發動機與渦扇發動機嚴格的區分開來。

現代的軍用戰斗機要求越來越高的機動性能,較高的推重比能賦予戰斗機很高的垂直機動能力和優異的水平加速性能。而且在戰時,如果本方機場遭到了對方破壞,戰斗機還可以利用大推力來減少飛機的起飛著陸距離。比如裝備了F-100-PW-100的F-15A當已方機機的跑道遭到部分破壞時,F-15可以開全加力以不到300m的起飛滑跑距離起飛。在降落時可以用60°的迎角作低速平飛,在不用減速傘和反推力的情況下,只要500m的跑道就可以安全降落。

更高的推重比是每一個戰斗機飛行員所夢寐以求的。但戰斗機的推重比在很大程度上是受發動機所限——如果飛機發動機的推重比小于6一級的話,其飛機的空戰推重比就很難達到1,如果強行提高飛機的推重比的話所設計的飛機將在航程、武器掛載、機體強度上付出相當大的代價。比如前蘇聯設計的蘇-11戰斗機使用了推重比為4.085的АЛ-7Ф-1-100渦噴發動機。為了使飛機的推重比達到1,蘇-11的動力裝置重量占了飛機起飛重量的26.1%。相應的代價是飛機的作戰半徑只有300公里左右。

而在民用客機、運輸機和軍用的轟炸機、運輸機方面。隨著新材料的運用飛機的機身結構作的越來越大,起飛重量也就越來越大,對發動機的推力要求也越來越高。在高函道比大推力的渦扇發動機出現之前,人們只能采用讓大型飛機掛更多的發動機的方法來解決發動機的推力不足問題。比如B-52G轟炸機的翼下就掛了八臺J-57-P-43W渦噴發動機。該發動機的單臺最大起飛推力僅為6237kg(噴水)。如果B-52晚幾年出生的話它完全可以不掛那么多的發動機。現在如果不考慮動力系統的可靠性,像B-52之類的飛機只裝一臺發動機也未嘗不可。

而渦扇發動機的誕生就是為了順應人們對航空發動機越來越高的推力要求而誕生的。因為提高噴氣發動機的推力最簡單的辦法就是提高發動機的空氣流量。

3 發展動向

1) 美國通用電氣公司欲通過3D噴涂技術維修航空發動機部件。國防科技信息科技網綜合報道:美國通用電氣公司正在研究利用“冷噴涂”技術制造或修理飛機發動機零部件,并延長部件使用壽命。冷噴涂技術的工作原理如下:通過噴槍以3540km/h的速度噴射出金屬粒子,噴涂過程無焊接,部件無需再加熱和加工,能夠以較低成本將損壞的零部件恢復到接近原廠狀態,如可用于葉片、軸、螺旋槳和齒輪箱等零部件的維修[3]。

2) 美軍用航空發動機制造商公布六代機自適應發動機進展。美國《航空周刊與空間技術》刊2015年1月29日報道:美軍認為,未來戰斗機很可能需要采用自適應發動機。美國空軍和海軍都已經開始F-22、F-35之后的未來戰斗機、即第六代戰斗機(下稱六代機)的概念發展工作,并即將形成“裝備發展決策”,進而開始備選方案分析工作。從目前公布的信息來看,美軍不僅要求六代機飛得更遠,還需要在接敵時具有更快的速度和更強的動力。但從推進系統的角度來看,這些目標卻是互相排斥的。美國軍方目前已基本形成判斷:除非出現物理規律的重大革新,否則能夠滿足六代機性能要求的動力只能采用變循環,或者說自適應發動機技術[4]。

美軍已提前逐次推進地安排六代機自適應發動機技術發展工作。美國空軍研究實驗室(AFRL)在2006年即啟動了“自適應多用途發動機技術”(ADVENT)項目,在該項目取得重要成果的基礎上,又于2012年啟動了“自適應發動機技術發展”(AETD)項目。AETD項目正在實施,計劃到2016年完成核心機演示驗證后結束。2014年,美國空軍透露已經在規劃后續的“自適應發動機轉移項目”(AETP),為2020年后研制用于六代機和F-35換發的200千牛級自適應發動機鋪平道路。目前AETP項目的進度、預算和內容還在不斷變動,但項目仍可望在2016年啟動,為期3年左右。

美軍各自適應發動機技術發展項目銜接良好、進展明顯。ADVENT項目為期5年,目標是比2000年基準戰斗機發動機降低耗油率25%。美國通用電氣航空集團和羅·羅北美公司在該項目中各自發展了高壓比核心機、自適應風扇、可調外涵及低壓系統技術,解決了一系列關鍵技術挑戰。兩家公司分別從2013年和2012年開始ADVENT核心機試驗,其中通用電氣航空集團的核心機試驗公布了少量結果,即超過AFRL設定的溫度目標,達到了“噴氣發動機推進史上”最高的壓氣機和渦輪聯合工作溫度記錄。2013年11月到2014年7月,通用電氣航空集團又開展了首臺全尺寸三涵道驗證發動機的試車,并計劃在2015年2月前完成ADVENT發動機的詳細評估。

ADVENT項目的進展引出了隨后的AETD項目,后者由通用電氣航空集團和美國普·惠公司于2012年贏得競標,羅·羅公司則被淘汰。AETD項目著眼于能夠使戰斗機發動機油耗降低25%、軍用推力比F135增加5%、加力推力提高10%的發動機技術。因此AETD在效率和推力方面都超過ADVENT,也將基于一個更大的核心機。由于六代機是單發還是雙發等關鍵需求尚未確定,因此通用電氣航空集團將F-35設定為AETD發動機的應用對象。盡管自適應發動機會比F-35現在的推進系統稍大一些,但仍然可以使用同樣的進氣道。

到2014年年底,通用電氣航空集團已完成了AETD核心機的詳細設計評審、三涵道冷氣流和噴流影響臺架試驗、樹脂基復合材料(PMC)靜子件部件試驗、全環燃燒室臺架試驗等。2015年將完成全尺寸PMC部件評估和高壓壓氣機臺架試驗,12月份開始加力燃燒室試驗,同時為2016年上半年開始的風扇臺架試驗做好準備。按計劃,該公司的AETD項目將于2016年完成風扇試驗和核心機試車之后結束。

普·惠公司同樣也要在2015年年初完成AETD發動機的初步設計評審。根據該公司公布的少量下一代發動機計劃細節,預計在2016年上半年開展先進高壓核心機的演示試驗,隨后在年內完成帶有三涵道自適應風扇及相匹配的加力和排氣系統的整機試驗。

AETP發動機的設計將比目前F-35的需求更為激進,但還達不到能驅動定向能武器的水平。采用三涵道結構可以拓展F-35飛行包線的低空高速部分,能使飛機在150m高度以馬赫數0.8/0.9的速度飛行。目前正在開展的項目可以在2020年代中期以前用到F-35上,預計最早可以在2022-2024年實現,但這取決于AETP項目的規模和投資強度。

對于真正用于六代機的發動機,三涵道的好處將是在提高動力性能的同時支持先進武器和系統。通用電氣航空集團正在聯合美國波音公司、洛·馬公司和諾·格公司這三家最大的軍機系統集成商開展需求分析和權衡研究。這些研究將有助于推動美軍六代機的備選方案分析。

3) 納米陶瓷涂層可使航空發動機使用壽命提高兩倍。美國材料信息學會2014年4月7日報道:瑞典西部大學的研究人員開發了一種懸浮液等離子噴涂工藝(一種熱噴涂工藝),首先使納米陶瓷顆粒懸浮在一種液體中,然后再進行等離子噴涂。在等離子體流的作用下,陶瓷粉末的噴涂溫度高達7000℃～8000℃。陶瓷顆粒熔化撞擊零件表面形成大約0.5mm厚的涂層。這項新技術比傳統技術明顯便宜很多。研究結果顯示,新納米涂層使用壽命至少是傳統涂層使用壽命的3倍,同時具有低的熱傳導能力、較好的彈性和滲透性。使用壽命更長的航空發動機不需要進行通常昂貴耗時的維修,這樣可以節省航空工業的經費[5]。

西部大學、航空發動機制造商吉凱恩航宇公司以及燃氣輪機制造商西門子工業渦輪機械公司正進行密切合作,致力于兩年內在航空發動機和燃氣輪機上使用該納米涂層。

4) MTU航空發動機公司采用增材制造技術生產部件。德國MTU公司網站2014年3月13日報道:增材制造技術在工業領域之間迅速蔓延。在航空發動機結構領域,MTU航空發動機公司已經取得了突破。作為公司首批采用新技術的公司,MTU公司生產了生產型發動機部件。用于PW1100G-JM發動機的內窺鏡輪轂由選擇性激光熔化(SLM)制成。“通過這一步,MTU公司再次確立了在不斷創新方面的領導地位;因為使用了最先進的技術之一,生產了世界上最先進的發動機齒輪傳動渦扇發動機的部件。”MTU公司首席運營官解釋道[6]。

PW1100G-JM發動機的低壓渦輪將是首個安裝由增材制造工藝制成的內窺鏡輪轂的渦輪。這些輪轂形成了渦輪機匣的一部分,允許葉片在磨損和損傷的指定間隔使用內窺鏡進行檢查。當采用SLM技術制造時,第一步是將要生產的部件切片成三維CAD模型,然后激光從粉末狀材料一層一層堆積成實體同等模型,層厚是20mm～40mm,粉末顆粒被局部熔化并熔合在一起。目前,內窺鏡輪轂仍然只是小量的生產。但從2015年起,情況就會不同,一旦配裝A320neo飛機的PW1100G-JM發動機產量猛增,MTU公司的產量也將大量增長。

德國MTU公司自十年前就開始瞄準使用增材制造技術,由于這一創新性方法具有很大的優勢。該工藝使得復雜的部件僅需少量的材料和工具來制造,而采用常規防范制造時非常困難。該技術為全新的設計方法開啟了大門,能夠明顯地削減研發、生產和領先使用時間,并帶來生產成本的降低。

在第二階段,將生產SLM部件來取代現有部件,如車間使用的噴射噴嘴和磨砂輪。另外,下一步計劃重新設計并生產輕型部件。增材制造方法證明為對如軸承座和渦輪葉片等復雜部件是大有裨益的。

MTU公司當前正在加緊SLM技術研發,使得未來在大量的技術項目和計劃中具有第一優先級。例如,作為在歐盟最大的航空研究計劃“凈潔天空”計劃下的研發活動的一部分,MTU正在使用SLM技術制造密封托架,其整體蜂窩結構的內環將安裝在高壓壓氣機內,能夠帶來重量降低,更輕質設計是發動機和飛機結構的一個關鍵目的。

5) 三菱重工將與石川島重工進行航空發動機資產重組。英國《簡氏國防工業》2014年3月14日報道:三菱重工(MHI)和石川島重工(IHI)正在討論重組兩公司在日本國內生產飛機發動機組件的資產。三菱重工和石川島重工都生產飛機發動機及相關組件,而石川島重工是日本自衛隊裝備飛機發動機的主承包商和制造商[7]。

兩家公司的聲明稱,他們提出的合作聯盟的決定尚未最終敲定,而合并后的機構可以參與軍用和商用飛機發動機的生產。媒體報道稱,資產重組可以吸引日本政府的投資,以繼續鼓勵航空和國防領域的整合。軍用航空發動機領域的整合將使兩公司在未來軍用項目中獲得更大的份額,而在商業領域能有更大的競爭力與美國和歐洲供應商抗衡。

三菱重工和石川島重工目前正與西方發動機制造商合作,大多數是基于許可證在日本進行生產。石川島重工正在為三菱重工的F-2戰斗機許可生產美國通用電氣公司的F110發動機,并與普·惠公司聯合為日本的F-35戰斗機生產F135發動機組件并進行發動機裝配。三菱重工正在進行F-35戰斗機最后的檢查與組裝。

資產重組也表明了日本政府推動國防工業基礎更有效率、費效比更高、競爭力更強的努力。

4 發展分析

航空發動機的發展趨勢: 1) 研制開發發動機的關鍵技術; 2) 繼續研制開發多轉子的渦扇發動機; 3) 研制開發新型的耐高溫鈦合金材料[8]。

1) 研制開發發動機的關鍵技術。一是避免壓縮機葉片因轉速過,快造成壓縮機后部各級堆積空氣,或進氣道氣流畸變而導致的失速;二是減輕壓縮機重量,以使離心力及大量施功于空氣所生的機械負荷,不超過制造壓縮機葉片所用合金所能承受的最大的機械強度;三是使渦輪工作更有效,以帶動壓縮機更快旋轉。

2) 研制開發多轉子的渦扇發動機。目前渦扇發動機所采用的總體結構單轉子、雙子、三轉子。

· 單轉子結構的渦扇發動機的壓氣機可以作成任意多的級數以期達到一定的增壓比。可是因為單轉子的結構限制使其風扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、低壓渦輪、高壓渦輪必須都安裝在同一根主軸之上,這樣在工作時它們就必須要保持相同的轉速。其缺點是在工作時其轉數突然下降時(比如猛收小油門),壓氣機的高壓部分就會因為得不到足夠的轉數而效率嚴重下降,在高壓部分的效率下降的同時,壓氣機低壓部分的載荷就會急劇上升,當低壓壓氣機部分超載運行時就會引起發動機的振喘,而在正常的飛行當中,發動機的振喘是決對不被允許的,因為在正常的飛行中發動機一但發生振喘飛機十有八九就會掉下來。

· 雙轉子。為了提高壓氣機的工作效率和減少發動機在工作中的振喘,采用雙轉子發動機,使其低壓壓氣機和高壓壓氣機工作在不同的轉速之下。在雙轉子結構的渦扇發動機上,由于風扇要和低壓壓氣機聯動,風扇和低壓壓氣機就必須要互相將就一下對方。風扇為將就壓氣機而必需提高轉數,這樣直徑相對比較大的風扇所承受的離心力和葉尖速度也就要大,巨大的離心力就要求風扇的重量不能太大,在風扇的重量不能太大的情況下風扇的葉片長度也就不能太長,風扇的直徑小下來了,函道比自然也上不去,而實踐證明函道比越高的發動機推力也就越大,而且也相對省油。而低壓壓氣機為了將就風扇也不得不降低轉數,降低了壓氣機的轉數壓氣機的工作效率自然也就上不去,單級增壓比降低的后果是不得不增加壓氣機風扇的級數來保持一定的總增壓比。這樣壓氣機的重量就很難得以下降。

· 三轉子。為解決壓氣機和風扇轉數上的矛盾,采用三轉子發動機,就是在二轉子發動機上又了多了一級風扇轉子。這樣風扇、高壓壓氣機和低壓壓氣機都自成一個轉子,各自都有各自的轉速。三轉子發動機有三個相互套在一起的共軸轉子,因而所需要的軸承支點幾乎比雙轉子結構的發動機多了一倍,而且支撐結構也更加的復雜,軸承的潤滑和壓氣機之間的密閉也更困難。例如,羅羅公司的RB-211上采用的就是三轉子結構,轉子數量上的增加換來了風扇、壓氣機、渦輪的簡化。

三轉子RB-211與同一技術時期推力同級的雙轉子的JT-9D相比:JT-9D的風扇頁片有46片,而RB-211只有33片;壓氣機、渦輪的總級數JT-9D有22級,而RB-211只有19級;壓氣機葉片JT-9D有1486片,RB-211只有826片;渦輪轉子葉片RB211也要比JT9D少,前者是522片,而后者多達708片;但從支撐軸承上看,RB-211有八個軸承支撐點,而JT9D只有四個。

3) 研制開發新型的耐高溫鈦合金材料。在現代渦扇發動機上的壓氣機大多是軸流式壓氣機,軸流式壓氣機有著體積小、流量大、單位效率高的優點,但在一些場合之下離心式壓氣機也還有用武之地,離心式壓氣機雖然效率比較差,而且重量大,但離心式壓氣機的工作比較穩定、結構簡單而且單級增壓比也比軸流式壓氣機要高數倍。

壓氣機是渦扇發動機上比較核心的一個部件。在渦扇發動機上采用雙轉子結構很大程度上就是為了迎合壓氣機的需要。壓氣機的效率高低直接的影響了發動機的工作效率。

在發動機的壓氣機中,空氣在得到增壓的同時,其溫度也在上升。比如當飛機在地面起飛壓氣機的增壓比達到25左右時,壓氣機的出口溫度就會超過500°。而在戰斗機所用的低函道比渦扇發動機中,在中低空飛行中由于沖壓作用,其溫度還會提高。而當壓氣機的總增壓比達到30左右時,壓氣機的出口溫度會達到600℃左右,從而研制開發新型的耐高溫鈦合金材料。

5 結語

隨著航空發動機的關鍵技術、多轉子、新型耐高溫鈦合金材料的研制開發,其性能越來越好,可靠性越來越高,在未來現代化戰爭或局部海戰中,運用先進的航空發動機裝配的先進戰機,對防空反導,抵御外敵的入侵就顯得非常重要了[9]。

[1] 段發階,張玉貴,歐陽濤,等.航空發動機旋轉葉片振動監測系統研究[J].光學與光電技術,2008,6(1):48.

[2] 孫宇揚,段發階,方志強,等.一種新型葉尖定時信號高精度處理技術[J].傳感技術學報,2003(4):415-418.

[3] 美國通用電氣公司欲通過3D噴涂技術維修航空發動機部件[N].每日防務快訊,2013-12-05.

[4] 美軍用航空發動機制造商公布六代機自適應發動機進展[N].每日防務快訊,2014-03-19.

[5] 納米陶瓷涂層可使航空發動機使用壽命提高兩倍[N].每日防務快訊,2014-04-04.

[6] MTU航空發動機公司采用增材制造技術生產部件[N].每日防務快訊,2014-04-17.

[7] 三菱重工將與石川島重工進行航空發動機資產重組[N].每日防務快訊,2015-02-26.

[8] 夏卿,左洪福,李紹成,等.航空發動機尾氣的FTIR被動遙感[J].光譜學與光譜分析,2009,29(3):616-619.

[9] 劉高恩,王華芳,呂品,等.[J].航空動力學報,2003,18(3):348.

Development Analysis of the Aviation Engine Technology

WANG Zhencheng

(Xi’an Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Xi’an 710054)

Aviation engine is the heart of the aircraft, whose excellent degree represents the level of the country’s national defense science and technology, also is the life of aviation security, but also defense anti-air, against the vulnerability is determined. Aircraft engine are introduced in detail, and the developing tendency of the aircraft engine is discussed.

aircraft engine, development trends and analysis

2015年3月3日,

2015年4月27日

王振成,男,碩士,工程師,研究方向:飛機總體技術。

V23

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.005