航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展分析*

王振成

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟,其優(yōu)異程度代表了該國(guó)國(guó)防科技水平,也是航空兵的生命保障,更是國(guó)防防空反導(dǎo)、抵御外強(qiáng)的尖兵。論文概述了航空發(fā)動(dòng)機(jī),并論述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展動(dòng)向與分析。

航空發(fā)動(dòng)機(jī); 發(fā)展動(dòng)向與分析

Class Number V23

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟,其優(yōu)異程度代表了該國(guó)國(guó)防科技水平,也是航空兵的生命保障,更是國(guó)防防空反導(dǎo)、抵御外強(qiáng)的尖兵[1]。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要有兩種:鍋輪發(fā)動(dòng)機(jī),鍋扇發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。

2.1 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

1) 組成:渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、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(jìn)氣道以最小的流動(dòng)損失順利地引入壓氣機(jī);壓氣機(jī)以高速旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)空氣作功壓縮空氣,提高空氣的壓力;高壓空氣在燃燒室內(nèi)和燃油混合、燃燒,將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?形成高溫高壓的燃?xì)?高溫高壓的燃?xì)馐紫仍跍u輪內(nèi)膨脹,推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),去帶動(dòng)壓氣機(jī);然后燃?xì)庠趪姽軆?nèi)繼續(xù)膨脹,加速燃?xì)?提高燃?xì)獾乃俣?使燃?xì)庖暂^高的速度噴出,產(chǎn)生推力。

3) 重要的參數(shù):

(1)渦輪前燃?xì)饪倻?這是個(gè)關(guān)鍵的參數(shù),也是一個(gè)受限制的參數(shù)。它的高低表示了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的高低,在使用過程中它不應(yīng)超過允許的最高值,否則要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢查和維修。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度(EGT),發(fā)動(dòng)機(jī)重要的監(jiān)控參數(shù),其高低反映了渦輪前燃?xì)饪倻氐母叩汀?/p>

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力比(EPR),是指低壓渦輪后的總壓與低壓壓氣機(jī)進(jìn)口處的總壓之比,對(duì)同一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)來說,EPR高,發(fā)動(dòng)機(jī)的推力就大。

2.2 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)分支,從血緣關(guān)系上來說渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該算得上是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的變種。從結(jié)構(gòu)上看,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)只不過是在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)之前(之后)加裝了風(fēng)扇而已。風(fēng)扇把渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)格的區(qū)分開來。

現(xiàn)代的軍用戰(zhàn)斗機(jī)要求越來越高的機(jī)動(dòng)性能,較高的推重比能賦予戰(zhàn)斗機(jī)很高的垂直機(jī)動(dòng)能力和優(yōu)異的水平加速性能。而且在戰(zhàn)時(shí),如果本方機(jī)場(chǎng)遭到了對(duì)方破壞,戰(zhàn)斗機(jī)還可以利用大推力來減少飛機(jī)的起飛著陸距離。比如裝備了F-100-PW-100的F-15A當(dāng)已方機(jī)機(jī)的跑道遭到部分破壞時(shí),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(shí)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(gè)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員所夢(mèng)寐以求的。但戰(zhàn)斗機(jī)的推重比在很大程度上是受發(fā)動(dòng)機(jī)所限——如果飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比小于6一級(jí)的話,其飛機(jī)的空戰(zhàn)推重比就很難達(dá)到1,如果強(qiáng)行提高飛機(jī)的推重比的話所設(shè)計(jì)的飛機(jī)將在航程、武器掛載、機(jī)體強(qiáng)度上付出相當(dāng)大的代價(jià)。比如前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的蘇-11戰(zhàn)斗機(jī)使用了推重比為4.085的АЛ-7Ф-1-100渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。為了使飛機(jī)的推重比達(dá)到1,蘇-11的動(dòng)力裝置重量占了飛機(jī)起飛重量的26.1%。相應(yīng)的代價(jià)是飛機(jī)的作戰(zhàn)半徑只有300公里左右。

而在民用客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和軍用的轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)方面。隨著新材料的運(yùn)用飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)作的越來越大,起飛重量也就越來越大,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力要求也越來越高。在高函道比大推力的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)之前,人們只能采用讓大型飛機(jī)掛更多的發(fā)動(dòng)機(jī)的方法來解決發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不足問題。比如B-52G轟炸機(jī)的翼下就掛了八臺(tái)J-57-P-43W渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的單臺(tái)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(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)在如果不考慮動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性,像B-52之類的飛機(jī)只裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也未嘗不可。

而渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生就是為了順應(yīng)人們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越高的推力要求而誕生的。因?yàn)樘岣邍姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)的推力最簡(jiǎn)單的辦法就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量。

3 發(fā)展動(dòng)向

1) 美國(guó)通用電氣公司欲通過3D噴涂技術(shù)維修航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。國(guó)防科技信息科技網(wǎng)綜合報(bào)道:美國(guó)通用電氣公司正在研究利用“冷噴涂”技術(shù)制造或修理飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件,并延長(zhǎng)部件使用壽命。冷噴涂技術(shù)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(fù)到接近原廠狀態(tài),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(fā)動(dòng)機(jī)制造商公布六代機(jī)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)展。美國(guó)《航空周刊與空間技術(shù)》刊2015年1月29日?qǐng)?bào)道:美軍認(rèn)為,未來戰(zhàn)斗機(jī)很可能需要采用自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)空軍和海軍都已經(jīng)開始F-22、F-35之后的未來戰(zhàn)斗機(jī)、即第六代戰(zhàn)斗機(jī)(下稱六代機(jī))的概念發(fā)展工作,并即將形成“裝備發(fā)展決策”,進(jìn)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(jī)飛得更遠(yuǎn),還需要在接敵時(shí)具有更快的速度和更強(qiáng)的動(dòng)力。但從推進(jìn)系統(tǒng)的角度來看,這些目標(biāo)卻是互相排斥的。美國(guó)軍方目前已基本形成判斷:除非出現(xiàn)物理規(guī)律的重大革新,否則能夠滿足六代機(jī)性能要求的動(dòng)力只能采用變循環(huán),或者說自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[4]。

美軍已提前逐次推進(jìn)地安排六代機(jī)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展工作。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)在2006年即啟動(dòng)了“自適應(yīng)多用途發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”(ADVENT)項(xiàng)目,在該項(xiàng)目取得重要成果的基礎(chǔ)上,又于2012年啟動(dòng)了“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展”(AETD)項(xiàng)目。AETD項(xiàng)目正在實(shí)施,計(jì)劃到2016年完成核心機(jī)演示驗(yàn)證后結(jié)束。2014年,美國(guó)空軍透露已經(jīng)在規(guī)劃后續(xù)的“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移項(xiàng)目”(AETP),為2020年后研制用于六代機(jī)和F-35換發(fā)的200千牛級(jí)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)鋪平道路。目前AETP項(xiàng)目的進(jìn)度、預(yù)算和內(nèi)容還在不斷變動(dòng),但項(xiàng)目仍可望在2016年啟動(dòng),為期3年左右。

美軍各自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目銜接良好、進(jìn)展明顯。ADVENT項(xiàng)目為期5年,目標(biāo)是比2000年基準(zhǔn)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)降低耗油率25%。美國(guó)通用電氣航空集團(tuán)和羅·羅北美公司在該項(xiàng)目中各自發(fā)展了高壓比核心機(jī)、自適應(yīng)風(fēng)扇、可調(diào)外涵及低壓系統(tǒng)技術(shù),解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。兩家公司分別從2013年和2012年開始ADVENT核心機(jī)試驗(yàn),其中通用電氣航空集團(tuán)的核心機(jī)試驗(yàn)公布了少量結(jié)果,即超過AFRL設(shè)定的溫度目標(biāo),達(dá)到了“噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)史上”最高的壓氣機(jī)和渦輪聯(lián)合工作溫度記錄。2013年11月到2014年7月,通用電氣航空集團(tuán)又開展了首臺(tái)全尺寸三涵道驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的試車,并計(jì)劃在2015年2月前完成ADVENT發(fā)動(dòng)機(jī)的詳細(xì)評(píng)估。

ADVENT項(xiàng)目的進(jìn)展引出了隨后的AETD項(xiàng)目,后者由通用電氣航空集團(tuán)和美國(guó)普·惠公司于2012年贏得競(jìng)標(biāo),羅·羅公司則被淘汰。AETD項(xiàng)目著眼于能夠使戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低25%、軍用推力比F135增加5%、加力推力提高10%的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。因此AETD在效率和推力方面都超過ADVENT,也將基于一個(gè)更大的核心機(jī)。由于六代機(jī)是單發(fā)還是雙發(fā)等關(guān)鍵需求尚未確定,因此通用電氣航空集團(tuán)將F-35設(shè)定為AETD發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用對(duì)象。盡管自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)比F-35現(xiàn)在的推進(jìn)系統(tǒng)稍大一些,但仍然可以使用同樣的進(jìn)氣道。

到2014年年底,通用電氣航空集團(tuán)已完成了AETD核心機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審、三涵道冷氣流和噴流影響臺(tái)架試驗(yàn)、樹脂基復(fù)合材料(PMC)靜子件部件試驗(yàn)、全環(huán)燃燒室臺(tái)架試驗(yàn)等。2015年將完成全尺寸PMC部件評(píng)估和高壓壓氣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),12月份開始加力燃燒室試驗(yàn),同時(shí)為2016年上半年開始的風(fēng)扇臺(tái)架試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。按計(jì)劃,該公司的AETD項(xiàng)目將于2016年完成風(fēng)扇試驗(yàn)和核心機(jī)試車之后結(jié)束。

普·惠公司同樣也要在2015年年初完成AETD發(fā)動(dòng)機(jī)的初步設(shè)計(jì)評(píng)審。根據(jù)該公司公布的少量下一代發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃細(xì)節(jié),預(yù)計(jì)在2016年上半年開展先進(jìn)高壓核心機(jī)的演示試驗(yàn),隨后在年內(nèi)完成帶有三涵道自適應(yīng)風(fēng)扇及相匹配的加力和排氣系統(tǒng)的整機(jī)試驗(yàn)。

AETP發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)將比目前F-35的需求更為激進(jìn),但還達(dá)不到能驅(qū)動(dòng)定向能武器的水平。采用三涵道結(jié)構(gòu)可以拓展F-35飛行包線的低空高速部分,能使飛機(jī)在150m高度以馬赫數(shù)0.8/0.9的速度飛行。目前正在開展的項(xiàng)目可以在2020年代中期以前用到F-35上,預(yù)計(jì)最早可以在2022-2024年實(shí)現(xiàn),但這取決于AETP項(xiàng)目的規(guī)模和投資強(qiáng)度。

對(duì)于真正用于六代機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī),三涵道的好處將是在提高動(dòng)力性能的同時(shí)支持先進(jìn)武器和系統(tǒng)。通用電氣航空集團(tuán)正在聯(lián)合美國(guó)波音公司、洛·馬公司和諾·格公司這三家最大的軍機(jī)系統(tǒng)集成商開展需求分析和權(quán)衡研究。這些研究將有助于推動(dòng)美軍六代機(jī)的備選方案分析。

3) 納米陶瓷涂層可使航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命提高兩倍。美國(guó)材料信息學(xué)會(huì)2014年4月7日?qǐng)?bào)道:瑞典西部大學(xué)的研究人員開發(fā)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(jìn)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(dá)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(xiàng)新技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)明顯便宜很多。研究結(jié)果顯示,新納米涂層使用壽命至少是傳統(tǒng)涂層使用壽命的3倍,同時(shí)具有低的熱傳導(dǎo)能力、較好的彈性和滲透性。使用壽命更長(zhǎng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)不需要進(jìn)行通常昂貴耗時(shí)的維修,這樣可以節(jié)省航空工業(yè)的經(jīng)費(fèi)[5]。

西部大學(xué)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商吉?jiǎng)P恩航宇公司以及燃?xì)廨啓C(jī)制造商西門子工業(yè)渦輪機(jī)械公司正進(jìn)行密切合作,致力于兩年內(nèi)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)上使用該納米涂層。

4) MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)部件。德國(guó)MTU公司網(wǎng)站2014年3月13日?qǐng)?bào)道:增材制造技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域之間迅速蔓延。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司已經(jīng)取得了突破。作為公司首批采用新技術(shù)的公司,MTU公司生產(chǎn)了生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)部件。用于PW1100G-JM發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)窺鏡輪轂由選擇性激光熔化(SLM)制成?！巴ㄟ^這一步,MTU公司再次確立了在不斷創(chuàng)新方面的領(lǐng)導(dǎo)地位;因?yàn)槭褂昧俗钕冗M(jìn)的技術(shù)之一,生產(chǎn)了世界上最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的部件?！盡TU公司首席運(yùn)營(yíng)官解釋道[6]。

PW1100G-JM發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪將是首個(gè)安裝由增材制造工藝制成的內(nèi)窺鏡輪轂的渦輪。這些輪轂形成了渦輪機(jī)匣的一部分,允許葉片在磨損和損傷的指定間隔使用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查。當(dāng)采用SLM技術(shù)制造時(shí),第一步是將要生產(chǎn)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(shí)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(nèi)窺鏡輪轂仍然只是小量的生產(chǎn)。但從2015年起,情況就會(huì)不同,一旦配裝A320neo飛機(jī)的PW1100G-JM發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量猛增,MTU公司的產(chǎn)量也將大量增長(zhǎng)。

德國(guó)MTU公司自十年前就開始瞄準(zhǔn)使用增材制造技術(shù),由于這一創(chuàng)新性方法具有很大的優(yōu)勢(shì)。該工藝使得復(fù)雜的部件僅需少量的材料和工具來制造,而采用常規(guī)防范制造時(shí)非常困難。該技術(shù)為全新的設(shè)計(jì)方法開啟了大門,能夠明顯地削減研發(fā)、生產(chǎn)和領(lǐng)先使用時(shí)間,并帶來生產(chǎn)成本的降低。

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

MTU公司當(dāng)前正在加緊SLM技術(shù)研發(fā),使得未來在大量的技術(shù)項(xiàng)目和計(jì)劃中具有第一優(yōu)先級(jí)。例如,作為在歐盟最大的航空研究計(jì)劃“凈潔天空”計(jì)劃下的研發(fā)活動(dòng)的一部分,MTU正在使用SLM技術(shù)制造密封托架,其整體蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)將安裝在高壓壓氣機(jī)內(nèi),能夠帶來重量降低,更輕質(zhì)設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵目的。

5) 三菱重工將與石川島重工進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)資產(chǎn)重組。英國(guó)《簡(jiǎn)氏國(guó)防工業(yè)》2014年3月14日?qǐng)?bào)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組件的資產(chǎn)。三菱重工和石川島重工都生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)組件,而石川島重工是日本自衛(wèi)隊(duì)裝備飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(lián)盟的決定尚未最終敲定,而合并后的機(jī)構(gòu)可以參與軍用和商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)。媒體報(bào)道稱,資產(chǎn)重組可以吸引日本政府的投資,以繼續(xù)鼓勵(lì)航空和國(guó)防領(lǐng)域的整合。軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的整合將使兩公司在未來軍用項(xiàng)目中獲得更大的份額,而在商業(yè)領(lǐng)域能有更大的競(jìng)爭(zhēng)力與美國(guó)和歐洲供應(yīng)商抗衡。

三菱重工和石川島重工目前正與西方發(fā)動(dòng)機(jī)制造商合作,大多數(shù)是基于許可證在日本進(jìn)行生產(chǎn)。石川島重工正在為三菱重工的F-2戰(zhàn)斗機(jī)許可生產(chǎn)美國(guó)通用電氣公司的F110發(fā)動(dòng)機(jī),并與普·惠公司聯(lián)合為日本的F-35戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)F135發(fā)動(dòng)機(jī)組件并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝配。三菱重工正在進(jìn)行F-35戰(zhàn)斗機(jī)最后的檢查與組裝。

資產(chǎn)重組也表明了日本政府推動(dòng)國(guó)防工業(yè)基礎(chǔ)更有效率、費(fèi)效比更高、競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)的努力。

4 發(fā)展分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì): 1) 研制開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù); 2) 繼續(xù)研制開發(fā)多轉(zhuǎn)子的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī); 3) 研制開發(fā)新型的耐高溫鈦合金材料[8]。

1) 研制開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。一是避免壓縮機(jī)葉片因轉(zhuǎn)速過,快造成壓縮機(jī)后部各級(jí)堆積空氣,或進(jìn)氣道氣流畸變而導(dǎo)致的失速;二是減輕壓縮機(jī)重量,以使離心力及大量施功于空氣所生的機(jī)械負(fù)荷,不超過制造壓縮機(jī)葉片所用合金所能承受的最大的機(jī)械強(qiáng)度;三是使渦輪工作更有效,以帶動(dòng)壓縮機(jī)更快旋轉(zhuǎn)。

2) 研制開發(fā)多轉(zhuǎn)子的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。目前渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的總體結(jié)構(gòu)單轉(zhuǎn)子、雙子、三轉(zhuǎn)子。

· 單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)可以作成任意多的級(jí)數(shù)以期達(dá)到一定的增壓比?？墒且?yàn)閱无D(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)限制使其風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、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(shí)它們就必須要保持相同的轉(zhuǎn)速。其缺點(diǎn)是在工作時(shí)其轉(zhuǎn)數(shù)突然下降時(shí)(比如猛收小油門),壓氣機(jī)的高壓部分就會(huì)因?yàn)榈貌坏阶銐虻霓D(zhuǎn)數(shù)而效率嚴(yán)重下降,在高壓部分的效率下降的同時(shí),壓氣機(jī)低壓部分的載荷就會(huì)急劇上升,當(dāng)?shù)蛪簤簹鈾C(jī)部分超載運(yùn)行時(shí)就會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的振喘,而在正常的飛行當(dāng)中,發(fā)動(dòng)機(jī)的振喘是決對(duì)不被允許的,因?yàn)樵谡５娘w行中發(fā)動(dòng)機(jī)一但發(fā)生振喘飛機(jī)十有八九就會(huì)掉下來。

· 雙轉(zhuǎn)子。為了提高壓氣機(jī)的工作效率和減少發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中的振喘,采用雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī),使其低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)工作在不同的轉(zhuǎn)速之下。在雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上,由于風(fēng)扇要和低壓壓氣機(jī)聯(lián)動(dòng),風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)就必須要互相將就一下對(duì)方。風(fēng)扇為將就壓氣機(jī)而必需提高轉(zhuǎn)數(shù),這樣直徑相對(duì)比較大的風(fēng)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(fēng)扇的重量不能太大,在風(fēng)扇的重量不能太大的情況下風(fēng)扇的葉片長(zhǎng)度也就不能太長(zhǎng),風(fēng)扇的直徑小下來了,函道比自然也上不去,而實(shí)踐證明函道比越高的發(fā)動(dòng)機(jī)推力也就越大,而且也相對(duì)省油。而低壓壓氣機(jī)為了將就風(fēng)扇也不得不降低轉(zhuǎn)數(shù),降低了壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)壓氣機(jī)的工作效率自然也就上不去,單級(jí)增壓比降低的后果是不得不增加壓氣機(jī)風(fēng)扇的級(jí)數(shù)來保持一定的總增壓比。這樣壓氣機(jī)的重量就很難得以下降。

· 三轉(zhuǎn)子。為解決壓氣機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)上的矛盾,采用三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī),就是在二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上又了多了一級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。這樣風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)都自成一個(gè)轉(zhuǎn)子,各自都有各自的轉(zhuǎn)速。三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有三個(gè)相互套在一起的共軸轉(zhuǎn)子,因而所需要的軸承支點(diǎn)幾乎比雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)多了一倍,而且支撐結(jié)構(gòu)也更加的復(fù)雜,軸承的潤(rùn)滑和壓氣機(jī)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子數(shù)量上的增加換來了風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪的簡(jiǎn)化。

三轉(zhuǎn)子RB-211與同一技術(shù)時(shí)期推力同級(jí)的雙轉(zhuǎn)子的JT-9D相比:JT-9D的風(fēng)扇頁(yè)片有46片,而RB-211只有33片;壓氣機(jī)、渦輪的總級(jí)數(shù)JT-9D有22級(jí),而RB-211只有19級(jí);壓氣機(jī)葉片JT-9D有1486片,RB-211只有826片;渦輪轉(zhuǎn)子葉片RB211也要比JT9D少,前者是522片,而后者多達(dá)708片;但從支撐軸承上看,RB-211有八個(gè)軸承支撐點(diǎn),而JT9D只有四個(gè)。

3) 研制開發(fā)新型的耐高溫鈦合金材料。在現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)大多是軸流式壓氣機(jī),軸流式壓氣機(jī)有著體積小、流量大、單位效率高的優(yōu)點(diǎn),但在一些場(chǎng)合之下離心式壓氣機(jī)也還有用武之地,離心式壓氣機(jī)雖然效率比較差,而且重量大,但離心式壓氣機(jī)的工作比較穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且單級(jí)增壓比也比軸流式壓氣機(jī)要高數(shù)倍。

壓氣機(jī)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上比較核心的一個(gè)部件。在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)很大程度上就是為了迎合壓氣機(jī)的需要。壓氣機(jī)的效率高低直接的影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)中,空氣在得到增壓的同時(shí),其溫度也在上升。比如當(dāng)飛機(jī)在地面起飛壓氣機(jī)的增壓比達(dá)到25左右時(shí),壓氣機(jī)的出口溫度就會(huì)超過500°。而在戰(zhàn)斗機(jī)所用的低函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中,在中低空飛行中由于沖壓作用,其溫度還會(huì)提高。而當(dāng)壓氣機(jī)的總增壓比達(dá)到30左右時(shí),壓氣機(jī)的出口溫度會(huì)達(dá)到600℃左右,從而研制開發(fā)新型的耐高溫鈦合金材料。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)、多轉(zhuǎn)子、新型耐高溫鈦合金材料的研制開發(fā),其性能越來越好,可靠性越來越高,在未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)或局部海戰(zhàn)中,運(yùn)用先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的先進(jìn)戰(zhàn)機(jī),對(duì)防空反導(dǎo),抵御外敵的入侵就顯得非常重要了[9]。

[1] 段發(fā)階,張玉貴,歐陽(yáng)濤,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].光學(xué)與光電技術(shù),2008,6(1):48.

[2] 孫宇揚(yáng),段發(fā)階,方志強(qiáng),等.一種新型葉尖定時(shí)信號(hào)高精度處理技術(shù)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2003(4):415-418.

[3] 美國(guó)通用電氣公司欲通過3D噴涂技術(shù)維修航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件[N].每日防務(wù)快訊,2013-12-05.

[4] 美軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商公布六代機(jī)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)展[N].每日防務(wù)快訊,2014-03-19.

[5] 納米陶瓷涂層可使航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命提高兩倍[N].每日防務(wù)快訊,2014-04-04.

[6] MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)部件[N].每日防務(wù)快訊,2014-04-17.

[7] 三菱重工將與石川島重工進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)資產(chǎn)重組[N].每日防務(wù)快訊,2015-02-26.

[8] 夏卿,左洪福,李紹成,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的FTIR被動(dòng)遙感[J].光譜學(xué)與光譜分析,2009,29(3):616-619.

[9] 劉高恩,王華芳,呂品,等.[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),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(jī)總體技術(shù)。

V23

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.005