航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)渦輪新技術(shù)

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)渦輪部件的功能是將從燃燒室流出的高溫燃?xì)獾臒崮芎蛪毫δ苻D(zhuǎn)換成機(jī)械功，驅(qū)動風(fēng)扇、壓氣機(jī)和附件工作。在渦槳或渦軸發(fā)動機(jī)中，渦輪還用于驅(qū)動螺旋槳或直升機(jī)的旋翼。按燃?xì)饬鲃臃较颍瑴u輪可分為軸流式和徑流式?，F(xiàn)代航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)渦輪幾乎都采用軸流式。在軸流式渦輪中，根據(jù)轉(zhuǎn)子驅(qū)動的對象又可分為高壓、中壓和低壓渦輪。

渦輪部件是發(fā)動機(jī)中單位重量最大、最復(fù)雜、成本最高的部件，所以，渦輪的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證其應(yīng)用所需的耐久性前提下，在高性能和經(jīng)濟(jì)可承受性之間維持一種平衡。為此，設(shè)計(jì)者們通過采用先進(jìn)的氣動、結(jié)構(gòu)、冷卻、強(qiáng)度設(shè)計(jì)，以及新材料和新工藝等多種技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

渦輪CFD技術(shù)

（1）非定常仿真技術(shù)

非定常仿真技術(shù)是對一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)離散瞬間的渦輪動靜域流場進(jìn)行求解，動靜域之間采用直接數(shù)據(jù)傳遞的方式，能夠真實(shí)詳細(xì)描述瞬態(tài)的渦輪內(nèi)流場變化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的計(jì)算設(shè)備已能開展非定常仿真技術(shù)的大量研究工作。部分國外發(fā)動機(jī)公司不同程度的采用了此項(xiàng)先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，如美國的IHPTET（綜合高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)）計(jì)劃中將非定常仿真技術(shù)用于解決轉(zhuǎn)子和靜子之間相互作用的機(jī)械激振，并將此技術(shù)用于F119發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)。近年來國外開展了凹槽頂部間隙、軸向氣封間隙、熱斑、尾跡、氣膜冷卻等氣動和傳熱非定常方面的研究和應(yīng)用，極大地提高渦輪葉片設(shè)計(jì)水平。

（2）氣膜冷卻仿真技術(shù)

目前，工程設(shè)計(jì)中廣泛采用氣膜冷卻方式對渦輪葉片進(jìn)行冷卻。如何準(zhǔn)確模擬冷氣與主流的摻混流動是準(zhǔn)確評估冷卻渦輪性能的關(guān)鍵所在。通常采用兩種方式進(jìn)行氣膜冷卻數(shù)值模擬。第一種是冷氣噴射源項(xiàng)法，它在葉片表面和端壁給定質(zhì)量、動量和能量源分布來考慮氣膜冷卻流動；該方法的優(yōu)點(diǎn)是所需的工作量和計(jì)算時(shí)間較少、易于實(shí)現(xiàn)。第二種是真實(shí)氣膜孔仿真方法，生成氣膜孔甚至內(nèi)腔網(wǎng)格，并對每個(gè)氣膜孔甚至內(nèi)腔流動均進(jìn)行數(shù)值模擬；此方法劃分網(wǎng)格復(fù)雜、時(shí)間長、計(jì)算量大，但優(yōu)點(diǎn)是可以獲得非常詳細(xì)的流動信息，實(shí)現(xiàn)氣熱耦合計(jì)算，對溫度場的求解更加準(zhǔn)確。國外實(shí)現(xiàn)了基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的真實(shí)氣膜孔仿真，例如：霍尼韋爾公司的Paul Vitt等（如圖1）、美國加利福尼亞州空氣動力中心的Ron Ho Ni等（如圖2）、俄羅斯OJSC的Victoria Krivonosova等。

三維設(shè)計(jì)技術(shù)

（1）超高載荷葉片全三維設(shè)計(jì)

隨著對發(fā)動機(jī)性能、重量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等的要求越來越高，渦輪葉片數(shù)量越來越少，渦輪葉片載荷也越來越高，渦輪處于跨聲流動甚至超聲流動狀態(tài)，需開展超高載荷葉片的全三維設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)。其中，包括了葉片復(fù)合傾斜技術(shù)、葉片端彎技術(shù)、葉片端壁融合技術(shù)、寬弦葉片技術(shù)、支板與葉片融合設(shè)計(jì)技術(shù)、跨聲葉型設(shè)計(jì)技術(shù)、超聲葉型設(shè)計(jì)技術(shù)等。

（2）非軸對稱端壁技術(shù)

非軸對稱端壁技術(shù)將端壁造型從二維發(fā)展到三維，通過調(diào)整端壁的三維曲面形狀，能夠有效減小渦輪二次流損失，從而提高渦輪效率。羅羅公司是第一個(gè)開始研究和應(yīng)用非軸對稱端壁技術(shù)的發(fā)動機(jī)公司，并申請相關(guān)專利，采用非軸對稱端壁設(shè)計(jì)技術(shù)可提高渦輪效率1.0%左右?？湛虯380遄達(dá)900航空發(fā)動機(jī)的低壓渦輪部件（如圖3）和先進(jìn)中等推力E3E發(fā)動機(jī)核心機(jī)的高壓渦輪導(dǎo)葉及工作葉片端壁（如圖4）均采用了該技術(shù)。MTU公司構(gòu)建了一套非軸對稱端壁設(shè)計(jì)體系。P&W公司是首個(gè)進(jìn)行非軸對稱端壁設(shè)計(jì)對冷卻效率影響研究的公司。

高效冷卻葉片設(shè)計(jì)

（1）鑄冷葉片技術(shù)

鑄冷葉片源于艾利遜公司的“Castcool”概念，它是一種可以一次鑄造出內(nèi)部復(fù)雜形狀的加工方法。利用Castcool可以將十分復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)一次鑄成在單晶部件（如渦輪葉片）之內(nèi)，同時(shí)，在IHPTET計(jì)劃中Allison公司研發(fā)了一種Lamilloy冷卻方案，此方案為多孔層板材料葉片。在IHPTET計(jì)劃第二階段，Castcool技術(shù)與Lamilloy冷卻方案結(jié)合，研制出了鑄冷高低壓葉片（如圖5，葉片前緣和尾緣采用氣膜冷卻，而葉片其余部分則采用雙層壁Lamilloy冷卻），并在CAESAR驗(yàn)證機(jī)中進(jìn)行了強(qiáng)度和冷卻試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）超冷葉片技術(shù)

超冷葉片源于普惠公司的“super cooling”概念。超冷葉片有幾百個(gè)鑄造的或激光打的小孔，外形與常規(guī)冷卻葉片一樣，但其內(nèi)部是用CFD方法設(shè)計(jì)的。在IHPTET計(jì)劃第二階段，在CAESAR核心機(jī)中對超冷葉片技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖6），并將此技術(shù)成功轉(zhuǎn)化至F119核心機(jī)中驗(yàn)證。同時(shí)，惠普公司在F135發(fā)動機(jī)的高壓渦輪上采用超冷技術(shù)，冷卻效率提高20%。此技術(shù)已在F136、PW8000發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片得到了應(yīng)用。

先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）高低壓渦輪對轉(zhuǎn)技術(shù)

高低壓對轉(zhuǎn)渦輪結(jié)構(gòu)是高負(fù)荷單級高壓渦輪后接對轉(zhuǎn)無導(dǎo)葉低壓渦輪。IHPTET計(jì)劃中的GE公司COPE渦輪方案驗(yàn)證了這一技術(shù)。F136發(fā)動機(jī)就采用了此結(jié)構(gòu)。F119發(fā)動機(jī)雖然也使用了高低壓渦輪反轉(zhuǎn)技術(shù)，但其高壓渦輪和低壓渦輪之間仍帶有導(dǎo)葉。無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)不僅可用在軍用渦扇發(fā)動機(jī)上，也可用于民用渦扇發(fā)動機(jī)。

（2）雙幅板渦輪盤

采用當(dāng)前的鎳基合金制造的常規(guī)（單輻板）高壓渦輪盤其AN2值已達(dá)到極限，面臨的局面是，提高AN2值必須有突破性技術(shù)的支持。因此，雙輻板盤（圖7）成為提高AN2的研究重點(diǎn)。雙輻板盤在結(jié)構(gòu)傳力路線和AN2方面比常規(guī)高壓渦輪盤有明顯的優(yōu)勢。普惠公司在先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器XTC67/1上試驗(yàn)了焊接的雙輻板高壓渦輪盤技術(shù)，驗(yàn)證了渦輪盤重量減輕17%，同時(shí)轉(zhuǎn)速提高9%。

（3）可變面積渦輪導(dǎo)向器

GE發(fā)展了四代變循環(huán)發(fā)動機(jī)：在第二代變循環(huán)發(fā)動機(jī)（GE21）的研制中實(shí)現(xiàn)了可調(diào)面積低壓渦輪導(dǎo)向器技術(shù)突破；在第三代變循環(huán)發(fā)動機(jī)（F120）的研制中實(shí)現(xiàn)了可調(diào)面積高壓渦輪導(dǎo)向器技術(shù)突破，并實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)空中試飛驗(yàn)證；第四代變循環(huán)發(fā)動機(jī)是COPE方案，在GE與艾利遜公司（AADC）（RR參與）聯(lián)合研究的COPE方案中關(guān)鍵技術(shù)之一就是高效可調(diào)面積高壓渦輪導(dǎo)向器，采用了一種獨(dú)特的凸輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)解決過去變面積導(dǎo)向器的冷卻漏氣引起的性能損失問題，能使部分推力狀態(tài)下SFC降低10%～25%。日本在高超聲速運(yùn)輸機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)研究計(jì)劃下研究的組合循環(huán)發(fā)動機(jī)，其低速推進(jìn)系統(tǒng)選用變循環(huán)渦扇發(fā)動機(jī)，低壓渦輪采用了可變面積導(dǎo)向器，用于控制發(fā)動機(jī)的涵道比和調(diào)整高/低壓渦輪的功率分配。

先進(jìn)耐高溫材料與工藝

（1）陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料在不帶冷卻的條件下耐溫能力高達(dá)1650K以上，密度卻是傳統(tǒng)葉片材料的三分之一，熱膨脹系數(shù)是傳統(tǒng)鎳基合金的四分之一。在大型軍用渦扇發(fā)動機(jī)中，目前已經(jīng)得到成功驗(yàn)證的陶瓷基復(fù)合材料渦輪部件主要有：渦輪間過渡段機(jī)匣部件，使冷卻空氣減少了100%，重量減輕50%；低壓渦輪導(dǎo)葉，減重的同時(shí)減少了冷卻氣流；高壓渦輪空心導(dǎo)葉，與典型的鎳基合金導(dǎo)葉相比，重量減輕50%，冷卻空氣量減少20%。美國在IHPTET計(jì)劃下開發(fā)了無冷卻陶瓷基低壓渦輪和端壁（如圖8），并已用于F136發(fā)動機(jī)未來發(fā)展型。

（2）高溫金屬間化合物

金屬間化合物具有重量輕、耐高溫、提高部件效率等優(yōu)點(diǎn)，在渦輪部件中的應(yīng)用主要是低壓渦輪后面幾級的葉片。具體的研究對象主要有：鈦鋁、鈮鋁、二硅化鉬、二硅化鈮。渦輪葉片歷來用鑄造，為了減輕重量而采用金屬間化合物材料，使渦輪部件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)復(fù)雜化，從而改變了渦輪葉片的加工技術(shù)。

（3）熱障涂層

熱障涂層應(yīng)用對象是工作溫度超過1250℃的渦輪工作葉片表面。電子束物理氣相沉積熱障涂層具有良好的熱疲勞特性，可用于高壓渦輪葉片。微層壓（Micro-Laminate）熱障涂層可用于渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片。這些先進(jìn)熱障涂層的導(dǎo)熱率和重量都大大降低，能有效提高渦輪葉片的工作溫度，保證葉片壽命。目前，國外正在研制耐溫水平150度以上的熱障涂層。

葉尖間隙主動控制技術(shù)

渦輪葉尖間隙主動控制技術(shù)是一項(xiàng)通過控制渦輪葉尖間隙的變化來降低發(fā)動機(jī)耗油率、污染物的排放，提高可靠性和延長使用壽命的重要技術(shù)措施。高壓渦輪葉尖間隙減小0.254毫米可減小1%的耗油率，排氣溫度減低10°C。主動間隙控制的目標(biāo)就是讓渦輪葉尖間隙在發(fā)動機(jī)工作過程中，尤其是在巡航狀態(tài)下保持一個(gè)最小值，同時(shí)又能保證在整個(gè)發(fā)動機(jī)飛行包線內(nèi)葉尖和渦輪外環(huán)不會發(fā)生碰磨。在高壓渦輪采用主動間隙控制比壓氣機(jī)和低壓渦輪有更加突出的好處，減小高壓渦輪葉尖間隙所得的效益是低壓渦輪的4倍，高壓壓氣機(jī)的2倍，而在運(yùn)輸機(jī)上獲得的效益又是戰(zhàn)斗機(jī)的2倍。在大涵道比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)上廣泛采用主動間隙控制技術(shù)。目前，熱控制方法的主動間隙控制得到了廣泛的應(yīng)用。如CFM56、PW4000、V2500、GE90等都采用的是主動熱控制方法。但由于主動熱控制方法存在響應(yīng)速度慢且無反饋信息，而無法精確控制間隙的原因，國外正在大力開展機(jī)械控制、壓力控制等研究和驗(yàn)證，預(yù)計(jì)在不久的將來這些新的主動間隙控制方法會在大涵道比航空發(fā)動機(jī)和航改燃機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。

先進(jìn)刷式封嚴(yán)技術(shù)

刷式封嚴(yán)技術(shù)最初是上世紀(jì)70年代初英國羅羅公司提出的一種新型密封技術(shù)。這種新型密封結(jié)構(gòu)可大大降低航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)的氣流量損失，增加推力，降低耗油率，顯著提高發(fā)動機(jī)性能。刷式封嚴(yán)是一種接觸式密封，與傳統(tǒng)的篦齒封嚴(yán)相比，重量輕、易于更換。GE公司的試驗(yàn)表明刷式密封的泄漏量只有篦齒密封的5%～10%。德國MTU公司的研究也發(fā)現(xiàn)，用刷式封嚴(yán)代替壓氣機(jī)和渦輪處的篦齒封嚴(yán)，則發(fā)動機(jī)的泄漏量可減少80%，相應(yīng)的發(fā)動機(jī)耗油量能減小至少1%。1989年V2500-A1發(fā)動機(jī)成為以刷式密封取得執(zhí)照的第一臺生產(chǎn)型航空發(fā)動機(jī)。英國牛津大學(xué)于1990年提出了“壓力平衡型低滯后效應(yīng)的刷式封嚴(yán)”的專利設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)在GE90發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)中通過了驗(yàn)證。在高密封壓力、高環(huán)境溫度和高表面速度的環(huán)境下，刷式封嚴(yán)存在刷絲掉毛現(xiàn)象，同時(shí)也存在密封的滯后效應(yīng)，MTU研制了一種新型的刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)以解決此問題。