航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展簡述及趨勢(shì)探索

高玉龍

（95825部隊(duì)，孝感 432000）

為提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的全球核心地位，美國、歐盟等航空發(fā)達(dá)國家在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品研究中，提出了具備指導(dǎo)價(jià)值的戰(zhàn)略方針，并投入大量的人力和財(cái)力進(jìn)行專項(xiàng)研究工作。在長久的技術(shù)探索工作中，美英法等國家在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的全產(chǎn)業(yè)鏈中研發(fā)了具有突破性的技術(shù)理念，而我國在發(fā)展中除要結(jié)合自身發(fā)展需求進(jìn)行深層探索外，還要多學(xué)習(xí)和引用國外具有指導(dǎo)意義的研究經(jīng)驗(yàn)，為構(gòu)建新型動(dòng)力技術(shù)提供依據(jù)。下面對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行深層探索。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史

1.1 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，最先使用的就是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作原理是指活塞承載燃?xì)鈮毫Γ跉飧字羞M(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)，并依據(jù)連桿將這種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)。在20世紀(jì)初期，萊特兄弟將一臺(tái)4缸、水平直列式水冷發(fā)動(dòng)機(jī)改裝后，成功用到了“飛行者一號(hào)”飛機(jī)上，完成了飛行試驗(yàn)。這也是人類歷史上第一次具有動(dòng)力、可以載人、平穩(wěn)運(yùn)行、可操作的飛行器成功飛行。而后，在第二次世界大戰(zhàn)中，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)得到了技術(shù)革新，優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和運(yùn)行效率，從以往不到10kW提升到了2500kW左右，耗油量從0.5kg/（kW·h）減少到0.25kg/（kW·h）左右。與此同時(shí)，整改之后的運(yùn)行時(shí)間從傳統(tǒng)意義上的十幾個(gè)小時(shí)增加到了2000～3000個(gè)小時(shí)。一直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)已經(jīng)非常嫻熟。

1.2 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代

從第二世界大戰(zhàn)結(jié)束一直到現(xiàn)在，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)取締了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，開創(chuàng)了噴氣時(shí)代，成為航空動(dòng)力的主導(dǎo)者。在科技技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新的背景下，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)等在不同時(shí)期展現(xiàn)了不同的優(yōu)勢(shì)，促使航空器的性能得到了穩(wěn)步提升。在這一時(shí)期，需要注意一個(gè)概念，即涵道比。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外進(jìn)氣道與內(nèi)進(jìn)氣道空氣流量的比值就叫做涵道比。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比等于0，而渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比等于∞，而渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比處于兩者之間。受新時(shí)代發(fā)展影響，未來的航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)也將展現(xiàn)不同的特點(diǎn)[1]。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)分析

2.1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)依舊是民用航空動(dòng)力市場(chǎng)的主導(dǎo)者

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新的背景下，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為民用干線客機(jī)市場(chǎng)的重要組成部分，并構(gòu)建了符合不同級(jí)別干線客機(jī)、支線客機(jī)與噴氣公務(wù)機(jī)所需的產(chǎn)品線。當(dāng)然，發(fā)動(dòng)機(jī)制作廠家一直都在研究通過提升熱效率和涵道比來優(yōu)化傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)效率，并注重推廣循環(huán)參數(shù)優(yōu)化、氣動(dòng)設(shè)計(jì)整改和零件耐久性設(shè)計(jì)的分析，以此提升渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的有效性，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的能源消耗。

羅羅公司在發(fā)展中，將大涵道比我扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究的項(xiàng)目整合為Advance2x項(xiàng)目，其中包含了公務(wù)機(jī)、支線客機(jī)與部分窄體客機(jī)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。在研究設(shè)計(jì)的發(fā)展途徑中以Advance2和Advance3項(xiàng)目提出的雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子為發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，在2020年前將實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，將發(fā)動(dòng)機(jī)的能源消耗情況降低20%。2014年2月，羅羅公司第一次提出了公司發(fā)展2020年及更遠(yuǎn)的下一代發(fā)動(dòng)機(jī)路線圖，也就是以三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的衍生發(fā)展為基礎(chǔ)，以公司未來發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的大量可縮放的技術(shù)，并引用復(fù)合材料低壓系統(tǒng)和齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，一直保持向開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)衍生發(fā)展[2]。

2.2 齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)將拓展引用平臺(tái)

這一發(fā)動(dòng)機(jī)類型是讓低壓渦輪通過減速器來傳動(dòng)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方案，先進(jìn)的齒輪系統(tǒng)會(huì)讓風(fēng)扇在不同低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪的速度下運(yùn)行，并與現(xiàn)代化核心機(jī)實(shí)施組合，以此展現(xiàn)最低的運(yùn)行成本，優(yōu)化燃油效率和環(huán)保性。對(duì)于這項(xiàng)研究普惠公司、德國MTU公司及俄羅斯等都進(jìn)行了有關(guān)研究，但作為GTF的忠實(shí)擁護(hù)者，普惠公司一直都在注重向著這一方向前進(jìn)，并在三維氣功設(shè)計(jì)、輕質(zhì)材料和壓氣機(jī)等方面的結(jié)構(gòu)和技術(shù)探索中獲取了一定成績。除此之外，羅羅公司在2014年第一次提出的下一代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)路線圖中明確，2025年服役的UltraFan方案中包含了GTF技術(shù)。UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)成為羅羅公司第一次引用動(dòng)力遲迅箱驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的大型商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并在2025年服役，推力范圍會(huì)超出100000磅，涵道比也會(huì)提升到15，總壓比會(huì)達(dá)到70，依據(jù)2025年服役的技術(shù)，其根本目標(biāo)是讓耗油率與遄達(dá)700發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可以降低到25%[3]。

2.3 開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)成為“改變者”

隨著航空燃油價(jià)格的穩(wěn)步上升，“綠色航空”理念的推廣，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)從20世紀(jì)90年代再次成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重點(diǎn)課題之一，并得到了GE公司、羅羅公司與斯奈克公司的關(guān)注。

2008年，GE公司與NAsA一起構(gòu)建了合作團(tuán)隊(duì)，重新研究放置許久的GE36無涵道風(fēng)扇研究工作。當(dāng)前，GE公司在NAsA的亞聲速固定翼飛機(jī)計(jì)劃和環(huán)境負(fù)責(zé)航空計(jì)劃中，加大了低速風(fēng)洞和高速風(fēng)洞對(duì)轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并通過驗(yàn)證開式轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能，而后美國FAA在持續(xù)降低能耗和排放計(jì)劃中提出了開式轉(zhuǎn)子適航技術(shù)的探索工作，這為開始轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)提供了有效保障。上述研究工作的推廣，可以為現(xiàn)階段和未來發(fā)展背景下的噪聲、排放工作提供有效解決方案。研究團(tuán)隊(duì)提出，若是在單通道飛機(jī)尾翼上安裝2020年的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，且依據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)證明轉(zhuǎn)子的噪聲，其累計(jì)構(gòu)成的噪聲要低于第四階段的13dB，這也表明開式轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)在之前三十年的研究中取得了一定成績。

2014年3月，NAsA德賴登飛機(jī)研究中心，并成立了Air Volt電推式試驗(yàn)臺(tái)，用來明確檢測(cè)從電池、馬達(dá)到速度控制器與螺旋槳等系統(tǒng)零件的工作效率，而后為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，整合電力推進(jìn)系統(tǒng)-飛機(jī)集成的效益，NAsA同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)航空公司又構(gòu)建了合作關(guān)系，并在實(shí)驗(yàn)前沿異步推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，推廣混合電推進(jìn)一體化系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的地面實(shí)驗(yàn)。為更好驗(yàn)證低噪音、工作效率高及排放效果好的總轉(zhuǎn)換效率的電力飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，NAsA在2015年提出了縮比尺寸電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用研究項(xiàng)目，并讓P2006T型輕型活塞雙發(fā)飛機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际诫娡七M(jìn)系統(tǒng)[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，我國在研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)時(shí)，要結(jié)合“綠色航空”要求，引用國外發(fā)達(dá)國家的探索經(jīng)驗(yàn)，增加人才和資金投入，進(jìn)而提出一系列具備潛能的新型動(dòng)力技術(shù)，如齒輪傳動(dòng)技術(shù)、混合電力推進(jìn)系統(tǒng)及開式轉(zhuǎn)子技術(shù)等，進(jìn)而構(gòu)建多元化發(fā)展的航空動(dòng)力技術(shù)路線圖，促進(jìn)飛機(jī)總體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)革新。