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航空发动机
燃气涡轮发动机
航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机,开创了喷气时代,居航空动力的主导地位。
在技术发展的推动下,涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在不同时期在不同的飞行领域内发挥着各自的作用,使航空器性能跨上一个又一个新的台阶。
●涡喷/涡扇发动机
20世纪50年代初,加力燃烧室的采用使发动机在短时间内能够大幅度提高推力,为飞机突破声障提供足够的推力。
典型的发动机有美国的J57和苏联的RD-9B,它们的加力推力分别为7000daN和3250daN,推重比各为3.5和4.5。
它们分别装在超声速的单发F-100和双发米格-19战斗机上。
50年代末和60年代初,各国研制了适合M2以上飞机的一批涡喷发动机,如J79、J75、埃汶、奥林帕斯、阿塔9C、R-11和R-13,推重比已达5~6。
在60年代中期还发展出用于M3一级飞机的J58和R-31涡喷发动机。
到70年代初,用于“协和”超声速客机的奥林帕斯593涡喷发动机定型,最大推力达到17000daN。
从此再没有重要的涡喷发动机问世。
1960年,美国在JT3C涡喷发动机的基础上改型研制成功JT3D涡扇发动机,推力超过7700daN,涵道比1.4,用于波音707和DC-8客机以及军用运输机。
以后,涡扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机的两个方向发展。
在低涵道比军用加力涡扇发动机方面,20世纪60年代,英、美在民用涡扇发动机的基础上研制出斯贝-MK202和TF30,它们的推重比与同时期的涡喷发动机差不多,但中间耗油率低,使飞机航程大大增加。
在70~80年代,各国研制出推重比8一级的涡扇发动机,如美国的F100、F404、F110,西欧三国的RB199,前苏联的RD-33和AL-31F。
它们装备在目前一线的第三代战斗机,如F-15、F-16、F-18、“狂风”、米格-29和苏-27。
目前,推重比10一级的涡扇发动机已研制成功,即将投入服役。
它们包括美国的F-22/F119、西欧的EFA2000/EJ200和法国的“阵风”/M88。
其中,F-22/F119具有第四代战斗机代表性特征:
超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力。
超声速垂直起飞短距着陆的JSF动力装置F136正在研制之中,预计将于2010~2012年投入服役。
自20世纪70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比(4~6)涡扇发动机投入使用以来,开创了大型宽体客机的新时代。
后来,又发展出推力小于20000daN的不同推力级的高涵道比涡扇发动机,广泛用于各种干线和支线客机。
10000~15000daN推力级的CFM56系列已生产13000多台,并创造了机上寿命超过30000h的记录。
民用涡扇发动机投入使用以来,已使巡航耗油率降低一半,噪声下降20dB,CO、UHC、NOX分别减少70%、90%、45%。
90年代中期装备波音777投入使用的第二代高涵道比(6~9)涡扇发动机的推力超过35000daN。
其中,通用电气公司GE90-115B在2003年2月创造了56900daN的发动机推力世界纪录。
目前,普·惠公司正在研制新一代涡扇发动机PW8000,这种齿轮传动涡扇发动机,推力为11000~16000daN,涵道比11,耗油率下降9%。
●涡桨/涡轴发动机
涡桨发动机的耗油率低,起飞推力大,装备了一些重要的运输机和轰炸机。
美国在1956年服役的涡桨发动机T56/501,装于C-130运输机、P3-C侦察机和E-2C预警机。
它的功率范围为2580~4414kW,有多个军民用系列,已生产了17000多台,出口到50多个国家和地区,是世界上生产数量最多的涡桨发动机之一,至今还在生产。
前苏联的HK-12M的最达功率达11000kW,用于图-20“熊”式轰炸机、安-22军用运输机和图-114民用运输机。
终因螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制,在大型飞机上涡轮螺旋桨发动机逐步被涡轮风扇发动机所取代,但在中小型运输机和通用飞机上仍有一席之地。
其中加拿大普·惠公司的PT6A发动机是典型代表,40年来,这个功率范围为350~1100kW的发动机系列已发展出30多个改型,用于144个国家的近百种飞机,共生产了30000多台。
美国在90年代在T56和T406的基础上研制出新一代高速支线飞机用的AE2100是当前最先进的涡桨发动机,功率范围为2983~5966kW,其起飞耗油率特低,为0.249kg/(kW·h)。
最近西欧四国决定为欧洲中型军用运输机A400M研制TP400涡桨发动机。
该发动机以法国的M88的核心机为基础,功率为7460kW,计划于2008年定型。
涡轮轴发动机在直升机领域逐步取代活塞式发动机而成为最主要的动力形式。
半个世纪以来,涡轴发动机已成功低发展出四代,功重比已从2kW/daN提高到6.8~7.1kW/daN。
第三代涡轴发动机是20世纪70年代设计,80年代投产的产品。
主要代表机型有马基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM,装备AS322“超美洲豹”、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。
第四代涡轴发动机是20世纪80年代末90年代初开始研制的新一代发动机,代表机型有英、法联合研制的RTM322、美国的T800-LHT-800、德法英联合研制的MTR390和俄罗斯的TVD1500,用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66“科曼奇”、PAH-2/HAP/HAC“虎”和卡-52。
世界上最大的涡轮轴发动机是乌克兰的D-136,起飞功率为7500kW,装两台发动机的米-26直升机可运载20t的货物。
以T406涡轮轴发动机为动力的倾转旋翼机V-22突破常规旋翼机400km/h的飞行速度上限,一下子提高到638km/h。
目前,美国正准备利陆军计划利用高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划第一阶段和第二阶段的成果发展用于UH-60A“黑鹰”/AH-64A“阿帕奇”改进型的动力共用发动机项目(CEP)。
CEP的目标是耗油率减少25~30%,功重比提高60%,采购成本和维护成本最小减少20%,使直升机的航程增加60%或载荷增加70%,同时减少后勤服务和维护的负担。
CEP项目的生产型发动机的功率限制在2240kW。
为满足未来运输旋翼机(FTR)的动力需求,2004财年将开始一个利用IHPTET第二阶段和第三阶段技术的发动机验证计划。
这种发动机的功率为7460kW,其工程和制造研制(EMD)将于2008到2010财年进行。
预计FTR与现在的重型运输直升机相比,可使航程增加三倍,或载荷增加一倍。
航空燃气涡轮发动机问世以后的60年来在技术上取得的重大进步可用下列数字表明:
服役的战斗机发动机推重比从2提高到7~9,已经定型并即将投入使用的达9~10。
民用大涵道比涡扇发动机的最大推力已超过50000daN,巡航耗油率从50年代涡喷发动机1.0kg/(daN·h)下降到0.55kg/(daN·h),噪声已下降20dB,CO、UHC和NOx分别下降70%、90%和45%。
服役的直升机用涡轴发动机的功重比从2kW/daN提高到4.6~6.1kW/daN,已经定型并即将投入使用的达6.8~7.1kW/daN。
发动机可靠性和耐久性倍增,军用发动机空中停车率一般为0.2~0.4/1000发动机飞行小时,民用发动机为0.002~0.02/1000发动机飞行小时。
战斗机发动机整机定型要求通过4300~6000TAC循环试验,相当于平时使用10多年,热端零件寿命达到2000h;民用发动机热端部件寿命,为7000~10000h,整机的机上寿命达到15000~20000h,也相当使用10年左右。
总之,60年来航空涡轮发动机已经发展得相当成熟,为各种航空器的发展作出了重要贡献,其中包M3一级的战斗/侦察机,具有超声速巡航、隐身、短距起落和超机动能力的战斗机、亚声速垂直起落战斗机、满足180min双发干线客机延长航程(ETOPS)要求的宽体客机、有效载重达20t的巨型直升机和速度超过600km/h的倾转旋翼机。
同时,还为各种航空改型轻型地面燃气轮机打下基础。
展望未来
发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长,发动机对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响,而且发动机技术具有良好的军民两用特性,对国防和国民经济有重要意义。
因此,世界上几个能独立研制先进航空发动机的国家无不将优先发展航空发动机作为国策,将发动机技术列为国家和国防关键技术,给予大量的投资,保证发动机相对独立地领先发展,并严格禁止关键技术出口。
一些航空发动机后起工业国家也已制订了重大的技术发展计划,试图建立独立研制或参与国际合作研制先进航空发动机的能力。
为满足21世纪各种航空器发展的要求,航空发达国家从上世纪80年代末开始实施新的涡轮发动机技术发展计划,其目标是到2005~2008年掌握使发动机能力翻番的技术。
所取得的阶段成果已经成功地用于一些在役发动机的改进改型和新型号研制,目前正处于最终目标的验证阶段。
鉴于计划的成功实施和发动机对航空发展产生的重要作用,有的国家已经拟订了进一步的发动机技术发展计划。
新计划在继续提高能力的同时更强调降低成本,其目标是从2006年到2015年使以发动机能力(推重比/耗油率)与全寿命期成本之比来度量的经济承受性提高到10倍。
在高超声速推进方面,重点发展超声速燃烧冲压发动机和脉冲爆震波发动机,近期目标是实现M4~8的导弹推进系统,远期目标是发展供高超声速有人驾驶飞机、跨大气层飞行器和低成本可重复使用的天地间往返运输系统的组合动力系统。
其他一些新概念发动机和新能源发动机也在探索之中,如以微机电技术为基础的微型无人机用超微型涡轮发动机和多电发动机,以及液氢燃料、燃料电池、太阳能和微波能等新能源动力。
1、综合高性能涡轮发动机技术计划
1988年,美国空军首先发起制订并实施高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划。
计划总的目标是到2005年使航空推进系统能力翻一番,即推重比或功率重量比增加100%~120%,耗油率下降15%~30%。
也就是说,要用15~20年时间取得过去30~40年取得的成就,生产和维修成本降低35%~60%。
在欧洲,以英国为主,意大利和德国参与共同实施了先进核心军用发动机计划的第二阶段(ACME-Ⅱ)。
ACME-Ⅱ的目标是在2005~2008年验证推重比18~20、耗油率降低15%~30%、制造成本低30%和寿命期费用低25%的技术。
美国的IHPTET计划采取变革性的技术途径,综合运用发动机气动热力学、材料、结构设计和控制方面突破性的成就,大大提高涡轮前温度,简化结构,减轻重量,实现最佳性能控制,最终达到预定的目标。
计划总投资50亿美元,以1995、2000和2005财年分为三个阶段,分别达到总目标的30%、60%和100%。
目前,第二阶段的任务已经完成,第三阶段计划正在实施,并已进入核心机的验证机试验阶段。
下面将以涡喷/涡扇发动机技术为例说明其进展。
●第一阶段
以普拉特·惠特尼公司的XTE65/2验证机为代表,在1994年9月的试验中已经达到并超过了第一阶段的目标—推重比增加30%,涡轮进口温度比现有先进发动机高222℃,超过目标55℃。
在它上面验证的主要新技术有:
小展弦比后掠风扇、AlloyC阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷子封严、陶瓷复合材料火焰筒浮壁、“超冷”涡轮叶片和球形收敛调节片矢量喷管(SCFN,原定的第二阶段目标)。
●第二阶段
艾利逊预研公司于1991年底和1994年6月分别试验了针对IHPTET计划第二阶段目标的XTC16/1A和XTC16/1B核心机,提前4年达到第二阶段核心机目标。
在这两台核心机上验证的新技术主要有:
压气机整体叶环结构、Lamilloy“铸冷”涡轮叶片、涡轮整体叶盘、耐温700~800°C的γ钛铝合金、周向分级燃烧室和陶瓷轴承。
通用电气公司/艾利逊预研公司联合组在1995~1996年试验了一种合作的变循环核心机XTC76/2。
该核心机有5级压气机和1级涡轮。
于1998年开始试验在XTC76/2核心机的基础上组成的变循环验证机,该验证机上采用的新技术还有:
先进的2级弯掠风扇、无级间导向器对转涡轮、金属基复合材料低压涡轮轴和镍铝合金涡轮部件。
普·惠公司在1999年也试验了下一代战斗机发动机PW7000的初始原型,XTE-66,属于第二阶段技术验证机,其推重比将比F119提高50%,达15~16。
IHPTET计划第二阶段的变循环发动机可以在不带加力的条件下达到F100-229和F110-129的带加力单位推力,它与F100-229相比有以下改进:
转子级数减少5~6级;长度缩短40%;推重比从8提高到16;典型任务油耗下降1/3;成本降低20%~30%;改进隐身能力。
●第三阶段
第三阶段已经通过了应用基础研究和部件研究阶段,在气动热力、结构和材料方面已经取得了阶段性成果,在2001年和2002年分别进入核心机和验证机验证。
待验证的技术有:
带核心驱动风扇级的变循环发动机、压比相当于F100-200发动机3级风扇的单级分隔式叶片风扇、高级压比的金属基复合材料整体叶环结构的高压压气机(4级达到F100发动机10级的压比)、钛铝压气机转子和静子叶片、驻涡稳定燃烧室、燃烧室主动温度场控制、陶瓷基复合材料火焰筒、陶瓷基复合材料涡轮导向叶片、无导向器叶片的对转低压涡轮、双辐板涡轮盘、旋流加力燃烧室、流体控制矢量喷管(可分别降低重量和成本60%和25%)、磁性轴承、气膜轴承、内装式整体起动/发电机和模型基分布式主动稳定控制系统。
IHPTET计划实施以来,其成果已应用到许多军民用发动机的新型号研制和现有型号的改进改型上。
在民用发动机方面有GE90、PW4084、CFM56-7、AE3007和FJ44,在军用发动机方面有F117、F118、F119、F135、F136、F404、F414、F100和F110。
2、通用、经济可承受的先进涡轮发动机计划
由于IHPTET计划在取得空中优势和商业竞争优势中的重要作用和已经取得的巨大成功,美国准备从2006年开始实施IHPTET计划的后继计划—VAATE计划,其指导思想是在提高性能的同时,更加强调降低成本。
VAATE的总目标是,在2017年达到的技术水平使经济可承受性提高到F119发动机的10倍。
技术验证将分两个阶段进行。
第一阶段到2010年,使经济可承受性提高到6倍;第二阶段到2017年使经济可承受性提高到10倍。
推进系统的经济可承受性的定义为能力与寿命期成本之比,其中能力为推重比与中间状态耗油率的函数。
VAATE计划的服务对象不仅包括有人驾驶航空器的发动机,而且还涉及无人机的发动机以及船用和地面燃气轮机。
其投资水平与IHPTET计划相当,每年3亿多美元,由政府和发动机制造商均摊。
喷气式航空发动机又分为带压气机的燃气涡轮发动机以及不带压气机的脉动式喷气和冲压式喷气发动机
①燃气涡轮发动机是现代飞机和直升机上应用最广泛的发动机,包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和桨扇发动机。
主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管等几部分组成,工作原理是涡轮带动压气机旋转,使进入发动机的空气经过增压后,在燃烧室内与燃料混合燃烧,燃气经涡轮在尾喷管内膨胀喷出,产生反作用推力。
按气流流动方向分为离心式和轴流式两种。
为了在短时间内增加发动机的最大推力,有的发动机在涡轮后加装有加力燃烧室,进行再次燃烧,可增加推力30~70%。
②冲压喷气发动机特点是没有涡轮和压气机,仅由进气道、燃烧室、尾喷管三部分组成。
进入燃烧室的空气利用航空器高速飞行时的冲压增压,即不靠机械运转而靠速度转变为动能增压。
优点是结构简单、推力大、造价低廉;缺点是不能在静止状态下起动以及低速性能不好,其使用范围仅限于空中发射的导弹和靶弹上。
亚音速冲压发动机用作靶机、导弹,无人飞机的动力装置,超音速冲压发动机将作为高超音速飞机的动力装置。
这三类发动机都由航空器周围的大气中吸取空气作为燃料燃烧的氧化剂,所以又称为吸空气发动机。
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