航空发动机技术的发展分析*

王振成

(海军装备部西安军事代表局 西安 710054)



航空发动机技术的发展分析*

王振成

(海军装备部西安军事代表局 西安 710054)

航空发动机是飞机的心脏,其优异程度代表了该国国防科技水平,也是航空兵的生命保障,更是国防防空反导、抵御外强的尖兵。论文概述了航空发动机,并论述了航空发动机的发展动向与分析。

航空发动机; 发展动向与分析

Class Number V23

1 引言

航空发动机是飞机的心脏,其优异程度代表了该国国防科技水平,也是航空兵的生命保障,更是国防防空反导、抵御外强的尖兵[1]。

2 航空发动机

航空发动机主要有两种:锅轮发动机,锅扇发动机[2]。

2.1 涡轮发动机

1) 组成:涡轮喷气发动机是由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管五大部件组成。

2) 工作原理:足够量的空气,通过进气道以最小的流动损失顺利地引入压气机;压气机以高速旋转的叶片对空气作功压缩空气,提高空气的压力;高压空气在燃烧室内和燃油混合、燃烧,将化学能转变为热能,形成高温高压的燃气;高温高压的燃气首先在涡轮内膨胀,推动涡轮旋转,去带动压气机;然后燃气在喷管内继续膨胀,加速燃气,提高燃气的速度,使燃气以较高的速度喷出,产生推力。

3) 重要的参数:

(1)涡轮前燃气总温:这是个关键的参数,也是一个受限制的参数。它的高低表示了发动机性能的高低,在使用过程中它不应超过允许的最高值,否则要对发动机进行检查和维修。

(2)发动机排气温度(EGT),发动机重要的监控参数,其高低反映了涡轮前燃气总温的高低。

(3)发动机的压力比(EPR),是指低压涡轮后的总压与低压压气机进口处的总压之比,对同一类型的发动机来说,EPR高,发动机的推力就大。

2.2 涡扇发动机

涡扇发动机是喷气发动机的一个分支,从血缘关系上来说涡扇发动机应该算得上是涡喷发动机的变种。从结构上看,涡扇发动机只不过是在涡喷发动机之前(之后)加装了风扇而已。风扇把涡喷发动机与涡扇发动机严格的区分开来。

现代的军用战斗机要求越来越高的机动性能,较高的推重比能赋予战斗机很高的垂直机动能力和优异的水平加速性能。而且在战时,如果本方机场遭到了对方破坏,战斗机还可以利用大推力来减少飞机的起飞着陆距离。比如装备了F-100-PW-100的F-15A当已方机机的跑道遭到部分破坏时,F-15可以开全加力以不到300m的起飞滑跑距离起飞。在降落时可以用60°的迎角作低速平飞,在不用减速伞和反推力的情况下,只要500m的跑道就可以安全降落。

更高的推重比是每一个战斗机飞行员所梦寐以求的。但战斗机的推重比在很大程度上是受发动机所限——如果飞机发动机的推重比小于6一级的话,其飞机的空战推重比就很难达到1,如果强行提高飞机的推重比的话所设计的飞机将在航程、武器挂载、机体强度上付出相当大的代价。比如前苏联设计的苏-11战斗机使用了推重比为4.085的АЛ-7Ф-1-100涡喷发动机。为了使飞机的推重比达到1,苏-11的动力装置重量占了飞机起飞重量的26.1%。相应的代价是飞机的作战半径只有300公里左右。

而在民用客机、运输机和军用的轰炸机、运输机方面。随着新材料的运用飞机的机身结构作的越来越大,起飞重量也就越来越大,对发动机的推力要求也越来越高。在高函道比大推力的涡扇发动机出现之前,人们只能采用让大型飞机挂更多的发动机的方法来解决发动机的推力不足问题。比如B-52G轰炸机的翼下就挂了八台J-57-P-43W涡喷发动机。该发动机的单台最大起飞推力仅为6237kg(喷水)。如果B-52晚几年出生的话它完全可以不挂那么多的发动机。现在如果不考虑动力系统的可靠性,像B-52之类的飞机只装一台发动机也未尝不可。

而涡扇发动机的诞生就是为了顺应人们对航空发动机越来越高的推力要求而诞生的。因为提高喷气发动机的推力最简单的办法就是提高发动机的空气流量。

3 发展动向

1) 美国通用电气公司欲通过3D喷涂技术维修航空发动机部件。国防科技信息科技网综合报道:美国通用电气公司正在研究利用“冷喷涂”技术制造或修理飞机发动机零部件,并延长部件使用寿命。冷喷涂技术的工作原理如下:通过喷枪以3540km/h的速度喷射出金属粒子,喷涂过程无焊接,部件无需再加热和加工,能够以较低成本将损坏的零部件恢复到接近原厂状态,如可用于叶片、轴、螺旋桨和齿轮箱等零部件的维修[3]。

2) 美军用航空发动机制造商公布六代机自适应发动机进展。美国《航空周刊与空间技术》刊2015年1月29日报道:美军认为,未来战斗机很可能需要采用自适应发动机。美国空军和海军都已经开始F-22、F-35之后的未来战斗机、即第六代战斗机(下称六代机)的概念发展工作,并即将形成“装备发展决策”,进而开始备选方案分析工作。从目前公布的信息来看,美军不仅要求六代机飞得更远,还需要在接敌时具有更快的速度和更强的动力。但从推进系统的角度来看,这些目标却是互相排斥的。美国军方目前已基本形成判断:除非出现物理规律的重大革新,否则能够满足六代机性能要求的动力只能采用变循环,或者说自适应发动机技术[4]。

美军已提前逐次推进地安排六代机自适应发动机技术发展工作。美国空军研究实验室(AFRL)在2006年即启动了“自适应多用途发动机技术”(ADVENT)项目,在该项目取得重要成果的基础上,又于2012年启动了“自适应发动机技术发展”(AETD)项目。AETD项目正在实施,计划到2016年完成核心机演示验证后结束。2014年,美国空军透露已经在规划后续的“自适应发动机转移项目”(AETP),为2020年后研制用于六代机和F-35换发的200千牛级自适应发动机铺平道路。目前AETP项目的进度、预算和内容还在不断变动,但项目仍可望在2016年启动,为期3年左右。

美军各自适应发动机技术发展项目衔接良好、进展明显。ADVENT项目为期5年,目标是比2000年基准战斗机发动机降低耗油率25%。美国通用电气航空集团和罗·罗北美公司在该项目中各自发展了高压比核心机、自适应风扇、可调外涵及低压系统技术,解决了一系列关键技术挑战。两家公司分别从2013年和2012年开始ADVENT核心机试验,其中通用电气航空集团的核心机试验公布了少量结果,即超过AFRL设定的温度目标,达到了“喷气发动机推进史上”最高的压气机和涡轮联合工作温度记录。2013年11月到2014年7月,通用电气航空集团又开展了首台全尺寸三涵道验证发动机的试车,并计划在2015年2月前完成ADVENT发动机的详细评估。

ADVENT项目的进展引出了随后的AETD项目,后者由通用电气航空集团和美国普·惠公司于2012年赢得竞标,罗·罗公司则被淘汰。AETD项目着眼于能够使战斗机发动机油耗降低25%、军用推力比F135增加5%、加力推力提高10%的发动机技术。因此AETD在效率和推力方面都超过ADVENT,也将基于一个更大的核心机。由于六代机是单发还是双发等关键需求尚未确定,因此通用电气航空集团将F-35设定为AETD发动机的应用对象。尽管自适应发动机会比F-35现在的推进系统稍大一些,但仍然可以使用同样的进气道。

到2014年年底,通用电气航空集团已完成了AETD核心机的详细设计评审、三涵道冷气流和喷流影响台架试验、树脂基复合材料(PMC)静子件部件试验、全环燃烧室台架试验等。2015年将完成全尺寸PMC部件评估和高压压气机台架试验,12月份开始加力燃烧室试验,同时为2016年上半年开始的风扇台架试验做好准备。按计划,该公司的AETD项目将于2016年完成风扇试验和核心机试车之后结束。

普·惠公司同样也要在2015年年初完成AETD发动机的初步设计评审。根据该公司公布的少量下一代发动机计划细节,预计在2016年上半年开展先进高压核心机的演示试验,随后在年内完成带有三涵道自适应风扇及相匹配的加力和排气系统的整机试验。

AETP发动机的设计将比目前F-35的需求更为激进,但还达不到能驱动定向能武器的水平。采用三涵道结构可以拓展F-35飞行包线的低空高速部分,能使飞机在150m高度以马赫数0.8/0.9的速度飞行。目前正在开展的项目可以在2020年代中期以前用到F-35上,预计最早可以在2022-2024年实现,但这取决于AETP项目的规模和投资强度。

对于真正用于六代机的发动机,三涵道的好处将是在提高动力性能的同时支持先进武器和系统。通用电气航空集团正在联合美国波音公司、洛·马公司和诺·格公司这三家最大的军机系统集成商开展需求分析和权衡研究。这些研究将有助于推动美军六代机的备选方案分析。

3) 纳米陶瓷涂层可使航空发动机使用寿命提高两倍。美国材料信息学会2014年4月7日报道:瑞典西部大学的研究人员开发了一种悬浮液等离子喷涂工艺(一种热喷涂工艺),首先使纳米陶瓷颗粒悬浮在一种液体中,然后再进行等离子喷涂。在等离子体流的作用下,陶瓷粉末的喷涂温度高达7000℃～8000℃。陶瓷颗粒熔化撞击零件表面形成大约0.5mm厚的涂层。这项新技术比传统技术明显便宜很多。研究结果显示,新纳米涂层使用寿命至少是传统涂层使用寿命的3倍,同时具有低的热传导能力、较好的弹性和渗透性。使用寿命更长的航空发动机不需要进行通常昂贵耗时的维修,这样可以节省航空工业的经费[5]。

西部大学、航空发动机制造商吉凯恩航宇公司以及燃气轮机制造商西门子工业涡轮机械公司正进行密切合作,致力于两年内在航空发动机和燃气轮机上使用该纳米涂层。

4) MTU航空发动机公司采用增材制造技术生产部件。德国MTU公司网站2014年3月13日报道:增材制造技术在工业领域之间迅速蔓延。在航空发动机结构领域,MTU航空发动机公司已经取得了突破。作为公司首批采用新技术的公司,MTU公司生产了生产型发动机部件。用于PW1100G-JM发动机的内窥镜轮毂由选择性激光熔化(SLM)制成。“通过这一步,MTU公司再次确立了在不断创新方面的领导地位;因为使用了最先进的技术之一,生产了世界上最先进的发动机齿轮传动涡扇发动机的部件。”MTU公司首席运营官解释道[6]。

PW1100G-JM发动机的低压涡轮将是首个安装由增材制造工艺制成的内窥镜轮毂的涡轮。这些轮毂形成了涡轮机匣的一部分,允许叶片在磨损和损伤的指定间隔使用内窥镜进行检查。当采用SLM技术制造时,第一步是将要生产的部件切片成三维CAD模型,然后激光从粉末状材料一层一层堆积成实体同等模型,层厚是20mm～40mm,粉末颗粒被局部熔化并熔合在一起。目前,内窥镜轮毂仍然只是小量的生产。但从2015年起,情况就会不同,一旦配装A320neo飞机的PW1100G-JM发动机产量猛增,MTU公司的产量也将大量增长。

德国MTU公司自十年前就开始瞄准使用增材制造技术,由于这一创新性方法具有很大的优势。该工艺使得复杂的部件仅需少量的材料和工具来制造,而采用常规防范制造时非常困难。该技术为全新的设计方法开启了大门,能够明显地削减研发、生产和领先使用时间,并带来生产成本的降低。

在第二阶段,将生产SLM部件来取代现有部件,如车间使用的喷射喷嘴和磨砂轮。另外,下一步计划重新设计并生产轻型部件。增材制造方法证明为对如轴承座和涡轮叶片等复杂部件是大有裨益的。

MTU公司当前正在加紧SLM技术研发,使得未来在大量的技术项目和计划中具有第一优先级。例如,作为在欧盟最大的航空研究计划“净洁天空”计划下的研发活动的一部分,MTU正在使用SLM技术制造密封托架,其整体蜂窝结构的内环将安装在高压压气机内,能够带来重量降低,更轻质设计是发动机和飞机结构的一个关键目的。

5) 三菱重工将与石川岛重工进行航空发动机资产重组。英国《简氏国防工业》2014年3月14日报道:三菱重工(MHI)和石川岛重工(IHI)正在讨论重组两公司在日本国内生产飞机发动机组件的资产。三菱重工和石川岛重工都生产飞机发动机及相关组件,而石川岛重工是日本自卫队装备飞机发动机的主承包商和制造商[7]。

两家公司的声明称,他们提出的合作联盟的决定尚未最终敲定,而合并后的机构可以参与军用和商用飞机发动机的生产。媒体报道称,资产重组可以吸引日本政府的投资,以继续鼓励航空和国防领域的整合。军用航空发动机领域的整合将使两公司在未来军用项目中获得更大的份额,而在商业领域能有更大的竞争力与美国和欧洲供应商抗衡。

三菱重工和石川岛重工目前正与西方发动机制造商合作,大多数是基于许可证在日本进行生产。石川岛重工正在为三菱重工的F-2战斗机许可生产美国通用电气公司的F110发动机,并与普·惠公司联合为日本的F-35战斗机生产F135发动机组件并进行发动机装配。三菱重工正在进行F-35战斗机最后的检查与组装。

资产重组也表明了日本政府推动国防工业基础更有效率、费效比更高、竞争力更强的努力。

4 发展分析

航空发动机的发展趋势: 1) 研制开发发动机的关键技术; 2) 继续研制开发多转子的涡扇发动机; 3) 研制开发新型的耐高温钛合金材料[8]。

1) 研制开发发动机的关键技术。一是避免压缩机叶片因转速过,快造成压缩机后部各级堆积空气,或进气道气流畸变而导致的失速;二是减轻压缩机重量,以使离心力及大量施功于空气所生的机械负荷,不超过制造压缩机叶片所用合金所能承受的最大的机械强度;三是使涡轮工作更有效,以带动压缩机更快旋转。

2) 研制开发多转子的涡扇发动机。目前涡扇发动机所采用的总体结构单转子、双子、三转子。

· 单转子结构的涡扇发动机的压气机可以作成任意多的级数以期达到一定的增压比。可是因为单转子的结构限制使其风扇、低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮必须都安装在同一根主轴之上,这样在工作时它们就必须要保持相同的转速。其缺点是在工作时其转数突然下降时(比如猛收小油门),压气机的高压部分就会因为得不到足够的转数而效率严重下降,在高压部分的效率下降的同时,压气机低压部分的载荷就会急剧上升,当低压压气机部分超载运行时就会引起发动机的振喘,而在正常的飞行当中,发动机的振喘是决对不被允许的,因为在正常的飞行中发动机一但发生振喘飞机十有八九就会掉下来。

· 双转子。为了提高压气机的工作效率和减少发动机在工作中的振喘,采用双转子发动机,使其低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下。在双转子结构的涡扇发动机上,由于风扇要和低压压气机联动,风扇和低压压气机就必须要互相将就一下对方。风扇为将就压气机而必需提高转数,这样直径相对比较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大,巨大的离心力就要求风扇的重量不能太大,在风扇的重量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长,风扇的直径小下来了,函道比自然也上不去,而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大,而且也相对省油。而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数,降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去,单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。这样压气机的重量就很难得以下降。

· 三转子。为解决压气机和风扇转数上的矛盾,采用三转子发动机,就是在二转子发动机上又了多了一级风扇转子。这样风扇、高压压气机和低压压气机都自成一个转子,各自都有各自的转速。三转子发动机有三个相互套在一起的共轴转子,因而所需要的轴承支点几乎比双转子结构的发动机多了一倍,而且支撑结构也更加的复杂,轴承的润滑和压气机之间的密闭也更困难。例如,罗罗公司的RB-211上采用的就是三转子结构,转子数量上的增加换来了风扇、压气机、涡轮的简化。

三转子RB-211与同一技术时期推力同级的双转子的JT-9D相比:JT-9D的风扇页片有46片,而RB-211只有33片;压气机、涡轮的总级数JT-9D有22级,而RB-211只有19级;压气机叶片JT-9D有1486片,RB-211只有826片;涡轮转子叶片RB211也要比JT9D少,前者是522片,而后者多达708片;但从支撑轴承上看,RB-211有八个轴承支撑点,而JT9D只有四个。

3) 研制开发新型的耐高温钛合金材料。在现代涡扇发动机上的压气机大多是轴流式压气机,轴流式压气机有着体积小、流量大、单位效率高的优点,但在一些场合之下离心式压气机也还有用武之地,离心式压气机虽然效率比较差,而且重量大,但离心式压气机的工作比较稳定、结构简单而且单级增压比也比轴流式压气机要高数倍。

压气机是涡扇发动机上比较核心的一个部件。在涡扇发动机上采用双转子结构很大程度上就是为了迎合压气机的需要。压气机的效率高低直接的影响了发动机的工作效率。

在发动机的压气机中,空气在得到增压的同时,其温度也在上升。比如当飞机在地面起飞压气机的增压比达到25左右时,压气机的出口温度就会超过500°。而在战斗机所用的低函道比涡扇发动机中,在中低空飞行中由于冲压作用,其温度还会提高。而当压气机的总增压比达到30左右时,压气机的出口温度会达到600℃左右,从而研制开发新型的耐高温钛合金材料。

5 结语

随着航空发动机的关键技术、多转子、新型耐高温钛合金材料的研制开发,其性能越来越好,可靠性越来越高,在未来现代化战争或局部海战中,运用先进的航空发动机装配的先进战机,对防空反导,抵御外敌的入侵就显得非常重要了[9]。

[1] 段发阶,张玉贵,欧阳涛,等.航空发动机旋转叶片振动监测系统研究[J].光学与光电技术,2008,6(1):48.

[2] 孙宇扬,段发阶,方志强,等.一种新型叶尖定时信号高精度处理技术[J].传感技术学报,2003(4):415-418.

[3] 美国通用电气公司欲通过3D喷涂技术维修航空发动机部件[N].每日防务快讯,2013-12-05.

[4] 美军用航空发动机制造商公布六代机自适应发动机进展[N].每日防务快讯,2014-03-19.

[5] 纳米陶瓷涂层可使航空发动机使用寿命提高两倍[N].每日防务快讯,2014-04-04.

[6] MTU航空发动机公司采用增材制造技术生产部件[N].每日防务快讯,2014-04-17.

[7] 三菱重工将与石川岛重工进行航空发动机资产重组[N].每日防务快讯,2015-02-26.

[8] 夏卿,左洪福,李绍成,等.航空发动机尾气的FTIR被动遥感[J].光谱学与光谱分析,2009,29(3):616-619.

[9] 刘高恩,王华芳,吕品,等.[J].航空动力学报,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,硕士,工程师,研究方向:飞机总体技术。

V23

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.005