燃气涡轮发动机漫谈-2

燃气涡轮发动机技术的发展状况 被世纪50年代，飞机追求高空高速，要求发动机推重比超过8，在马赫数为2-3的速度下能够稳定工作。 60年代初出现涡轮风扇发动机，民航机上采用高涵道比的加力涡扇发动机，涡轮前温度由1127提高到1327。在发动机研制程序上，采用了核心机和验证机的研制方法，缩短了研制周期，飞机性能更加安全可靠，技术更加精致。 70年代，各国普遍对发动机进行结构完整性研究，修改了通用规则，要求对发动机的性能。可靠性，耐久性，机动性和经济性之间进行综合平衡。在整机和部件试验的方法上模拟更接近使用的情况，采用加速任务试验的技术，来确定发动机的循环疲劳寿命。这期间由于出现能源危机，国外进行了节能发动机的研究，使发动机的经济性，可靠性和维护性迈上了新的台阶。 80年代，民航机从节油上考虑，世界上出现了一股研制浆扇发动机热。这种发动机兼具涡扇，涡浆发动机之长处，它比涡扇发动机省油，巡航速度又高于涡浆发动机。 这时，发动机的研制已处于成熟阶段，但飞机对发动机的技术要求更高了。战斗机除了要求发动机推重比提高到10-12，涡轮前温度超过1530之外，还要求发动机不加力持续进行超音速飞行。发动机的控制采用全功能数字式电子调节技术。为满足超音速垂直/短距起落和提高生存力飞机的需要，发动机上才用了二元推力转向喷管技术。 2.发动机上高新技术的应用 （1）提高推重比 发动机的推重比高，单位迎面推力大，战斗机就更能适应飞行速度和机动性的需要。目前，先进发动机的推重比大约在10-12之间。进一步提高推重比，需要改进设计，研究先进的气动技术和采用新的材料。气动设计上，采用三元后掠翼激波压片机叶片，短环形高温分段陶瓷燃烧室，提高转子的速度，增大风扇和压片机各级的负载，加上采用宽弦长叶片，减少压气机的级数并采用变面积涡轮等先进技术。同时将复合材料应用于热端部件，结构件和轴上。在这些高技术的基础上，可望设计出推重比达到20-24的最先进的航空发动机。 （2）降低涵道比，提高总增压比 为适应经济性的要求，民航机上的发动机涵道比越来越大。为持续进行超音速飞行，战斗机则采用降低涵道比，提高总增压比的措施，来增加喷气速度，其关键技术是压片机的设计要采用高性能的气动压片和结构。 （3）提高涡轮的进口温度 为了使发动机的推重比达到或超过20，发动机的结构将由以全金属为主向着以非金属转换。即使使用当前最好的单晶片材料，也远远满足不了涡轮的进口温度达到2200的要求。为此，除了要提高冷却技术外，并把单晶叶片加上隔热涂层，来提高涡轮叶片的高温性能。在高温不旋转的密封部位，可采用陶瓷材料，涡轮叶片则采用粉末冶金技术制造。 （4）采用矩形截面的二元推力转向喷管 在先进的发动机上，都设计有二元推力转向喷管，着陆时用于推力反向，缩短飞机的滑跑距离，还可提高飞机的机动性和隐身能力。 采用二元推力转向喷管可减小喷管与水平，垂直尾翼的不利干扰。这种转向喷管可上下左右转动，使飞机更容易实现灵活的直接力控制。 （5）采用数字式电子控制系统 随着计算机和自动控制技术的广泛应用，发动机的控制技术有了新的飞跃。数字式电子控制技术取代了传统的液压机械式控制技术，使发动机的结构简化，可靠性提高，并改善了驾驶员的工作负荷。发动机上采用光纤可改善系统，部件之间的故障隔离。目前已将这种技术进行自适应控制，调节涡轮机匝的冷却气流。来控制涡轮叶片的叶尖间隙。随着传感器的发展，用指令来控制叶尖间隙将成为可能。 3高空高速飞行器的组合动力 随着航空航天技术的发展，国外正在研制高超音速空天飞机的动力装置。这种飞机直接从地面起飞，穿过大气层进入外层空间，做高超音速飞行，然后再进入大气层着陆。着种飞机推进系统的关键是涡轮，冲压，火箭发动机的组合和超音速燃烧技术，预计可望在本世纪末解决。 21世纪的空天飞机，在飞机各方面的前言技术是水平起降，单级入轨；在动力方面的前言技术则是能否利用空气中的氧气进行工作。未来的空天飞机要从起飞直到第一宇宙速度（7.9公里/秒）的范围，从地面穿过大气层到高空稀薄空气的低压区，以及在真空度很高和气温变化很大的轨道区飞行。这种大范围的飞行包线，决定了它对动力装置的苛刻要求。 现在的空间飞行器都以液体或固体燃料火箭为动力。这种动力装置在大气层内使用，有明显的不足之处，因为它没有利用空气中的大量氧气而是自带氧化剂。为此，科学家一直在探讨采用多种组合的动力装置。 涡轮。冲压，火箭发动机的组合有多种方式，有单级入轨的整体组合动力形式，也有双级入轨的分开组合动力形式。 一种是涡轮与冲压发动机组合而与火箭发动机分开的发动机，在亚音速飞行时相当于涡轮喷气发动机，而在超音速和高超音速飞行时，相当于风扇增压的冲压发动机。这种发动机的推重比可达到40。 另一种是涡轮，冲压与火箭发动机都组合在一起的发动机，可单级入轨。这种动力装置把三种发动机综合成体，要采用变截面的喷管，技术就更高了。采用这种动力装置加上超音速燃烧技术，就可以更充分地发挥组合发动机大范围工作的效能。它的特点是在亚音速冲压组合循环之外，还并列安装了超音速燃烧冲压喷气发动机。这种超音速燃烧冲压喷气发动机有自己独立的进排气系统，与飞机机体成一体化设计。这种发动机在飞行速度超过音速的3-5倍时开始工作，直到达到音速的16倍以上，空天飞机飞离大气层，都一直开动这种发动机。然后将它关闭，启动火箭发动机，将空天飞机加速到大于音速的25倍，进入飞行轨道。

 

21世纪的航空燃气涡轮发动机技术 　据国外航空发动机制造商预测，未来20年，航空发动机市场将有较大增长，达到平均每年3%的增长速度，航空客运市场的增长速度将超过5%。因此，蓬勃的航空市场将为航空发动机制造商带来新的发展机遇。然而，未来航空发动机的发展也将面临新的挑战。航空公司希望获得效率更高的航空产品。要使飞机机队的利用率达到最大，而不定期延误率达到最小，发动机必须具有很高的可靠性和可预测性。而且，航空运输的不断普及将对环境带来不利的影响。因此，飞机和发动机制造商必须努力开发在噪声和污染方面获得大大改进，并且满足对污染和噪声日益严格的规定的产品。 　　一、欧洲正在进行新的航空燃气涡轮发动机技术计划 　　 目前，航空发动机制造商都已将污染和噪声问题作为航空发动机工业的首要问题进行研究，设计可满足未来大型民用运输机要求的推进系统。英国罗·罗公司正在领导一个由欧洲8家伙伴参与的发动机技术发展计划，计划的目的是设计一种比现有大型民用涡扇发动机效率更高、污染更小并且生产和寿命期费用更低的航空发动机。 　　 这项"经济可承受的近期低污染（ANTLE）"研究计划是欧洲投资的"高效、环境友好的航空发动机（EEFAE）"计划的一部分。ANTLE计划为期4年，目标是研制一种推力范围在22241~48930拾牛（50000~110000磅）的航空发动机，该发动机计划在2008年投入使用。一项长期的EEFAE技术采购计划"环境友好的航空发动机的部件验证机"（CLEAN）计划由法国SNECMA公司和德国MTU公司负责，目标是研究到2015年应用的航空发动机新技术。 　　 目前，英国罗·罗公司已经制定了ANTLE计划严格的发展目标。以20世纪90年代发动机技术为基准，该计划的目标是在4年内使新发动机的研制周期缩短30%。同时，使燃油消耗率降低12%，与ICAO1996年的标准相比，CO2排放量减少12%，NOX排放减少60%。寿命期成本降低30%，可靠性提高60%。ANTLE技术验证机以罗·罗公司的三转子RB211和Trent发动机技术为基础。为A340-500和-600研制Trent500发动机的改型发动机将作为研究和研制的重点。为该验证机提供组件的ANTLE伙伴包括：罗·罗德国公司、TRW英国公司、意大利菲亚特公司、西班牙ITP公司、比利时航空航天技术公司、瑞典沃尔沃公司和法国的伊斯帕喏-西扎公司。 　　 ANTLE计划的研究内容包括： 　　（1） 罗·罗德国公司研制采用整体叶盘的5级高压压气机转子。采用的先进技术包括：三维气动设计技术、先进的材料和制造工艺； 　　（2） 作为总目标使发动机涡轮和压气机系统零件数减少25%的一部分，罗·罗公司设计减少叶片数目的高压涡轮。同时，该公司还研究叶片角度可随飞行状态的变化而改变的新颖的变几何叶片结构使气动性能得到优化。而且，新设计的叶片更耐高温，并且具有更高的级负荷； 　　（3） 意大利菲亚特公司负责改进中压涡轮，目标是提高涡轮的效率。这项新颖的设计将改进密封和气动特性； 　　（4） 西班牙的ITP公司进行4级低压涡轮的研制，目的是减少叶片数目，该涡轮采用新的机匣和叶型结构； 　　（5） 对将先进的材料包括钛铝合金和新的镍基合金材料用于压气机和涡轮进行评估，以提高热端零件的工作转速和工作温度； 　　（6） 研究通过减少全权数字电子控制（FADEC）系统的错误信息数目达到降低拥有成本的方法。与目前与非智能附件相连的FADEC系统不同， ANTLE采用的附件都可与数字中心系统"对话"； 　　（7） 沃尔沃公司正在为一种后轴承机匣发展先进的仿真技术，用于取代现有的单片铸造部件，由于简化设计和易于维修，可能成为一种低成本的方案； 　　（8） 英国和德国正在研究采用先进喷射技术的先进低污染分级燃烧室，该燃烧室采用贫油燃烧有助于降低NOX排放量； 　　（9） TRW和罗·罗公司正在发展先进的控制系统，比利时航空航天技术公司正在改进滑油系统，伊斯帕喏-西扎公司正在设计新齿轮箱； 　　（10） 新设计的一些部件正在进行台架试验。2000年低，低NOX的燃烧室试验结束，这项试验主要研究和评估更好的喷射技术。目前该试验台正在进行先进的燃油管理的研究，重点是如何降低NOX排放而且不会带来重量、成本和可靠性方面的不利影响； 　　（11） 在核心机涡轮台架试验结束后，从2001年第三季度开始压气机的台架试验。低压涡轮和环形燃烧室的台架试验计划从2003年开始； 　　（12） 2003年第二季度，ANTLE验证机的硬件装在罗·罗公司改进的Trent 500发动机上进行至少75小时的严峻试验--主要是启动、运行参数和污染监控。试验将一直持续到2003年年底。 　　二、远期的航空燃气涡轮发动机新概念--多电发动机 　　 随着燃气涡轮发动机技术的发展，发动机的性能水平和可靠性不断提高，但不断增加的减少成本和降低污染的要求使燃气涡轮发动机技术的发展达到了极限。ANTLE采用"半智能"的控制技术使今天的燃气涡轮发动机发展为新一代的多电和全电喷气发动机。 　　多电发动机（见图1）是在传统航空燃气涡轮发动机上用主动磁浮轴承代替滚动轴承，用安装在主轴上的内置式整体起动/发电机为发动机和飞机提供所需要的电源，用全电气化传动附件取代机械液压式传动附件，实现发动机和飞机的全电气化传动。固定在发动机轴上的整体起动/发电机是集起动机和发电机功能于一体的电机。它利用电机可逆原理在发动机稳定工作前作为电起动机工作，带动发动机转子到一定转速后喷油点火，使发动机进入自行稳定工作状态；此后，发动机反过来带动电机，使其成为发电机，向飞机用电设备供电。多（全）电发动机的工作原理与传统的燃气涡轮发动机基本相同。 　　与带滑油润滑的普通航空燃气涡轮发动机相比，多电发动机具有性能更好、结构更紧凑、维修性和可靠性更高、大大节省运行和维护成本等许多优势： 　　首先，多电发动机取消了传统的润滑系统和机械（液压、气压）作动系统，因此零件数减少，从而大大减轻了发动机的重量（预计大型航空发动机可减重10~15%）、降低了复杂性； 　　第二，由于磁浮轴承可比普通轴承更高的温度（550~600℃）下工作，因此可设计得离燃烧室或涡轮更近，这样使发动机得结构更紧凑； 　　第三，磁浮轴承可进行主动振动控制和叶尖间隙控制，同时可进行状态监控，另外，磁浮轴承可免除普通发动机滑油带来的着火危险，因此，多电发动机的可靠性和安全性更高； 　　第四，采用磁浮轴承后大大提高发动机轴的DN值，可使轴径更大，改善了发动机的转子动力学特性； 　　第五，由于转子系统无机械接触和润滑，因此维修性更好。发动机轴上安装的内装式整体起动/发电机能够产生几兆瓦的电功率，可为多电飞机提供电力，如气动的飞机空气系统可由电动的或自供电的系统代替，飞机控制的作动和机翼的防冰也可由电力带动。此外，还可用于生成激光或微波束，作为机载高能束武器的能源。 　　 对于军用飞机来说，多电发动机可提高发动机的推重比，增加飞机的武器载荷量，增加无维修工作时间间隔（MFOPs），简化前线维护程序。另外，未来的无人机系统将要求完全一体化的电子系统以达到最佳的能力，上述这些都为多电发动机技术的发展奠定了基础。 　　美国和欧共体在20世纪90年代都先后开始实施了多电发动机计划。2000年11月，英国政府起动的为期四年的多电发动机和机翼系统（MEEAWS）计划，计划用电子系统取代液压、气压系统，降低飞机重量和成本，提高可靠性，该计划是1997年一个相似框架计划（为期三年）的继续。 　　国外多电发动机的发展主要是围绕高温主动磁浮轴承技术展开的。美国从1994年开始发展燃气涡轮发动机用磁浮轴承系统。美国综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划将验证高温主动磁浮轴承技术作为第三阶段的任务，将在XTC77/2发动机上对高温主动磁浮轴承技术进行验证。美国空军的一项计划将在2003年在一台喷气发动机的高压轴上采用磁浮轴承，并进行地面试验。美国计划2010年左右，在试验飞机上运行磁浮轴承。 　　 1998年4月，欧洲启动了航空发动机用主动磁性轴承（AMBIT）计划。计划为期3年。该计划的目的是开发主动磁浮轴承和备份轴承，同时预测它们的性能，并确定它们在高温和高动态载荷条件下的工作极限。计划的重点是发展高温材料和鲁棒控制，并开发预测性能的分析工具，最后在试验台上验证所获得的技术。2000年3月，AMBIT计划顺利结束。 　　由于AMBIT进展顺利，2001年9月，欧洲启动了为期42个月的AMBIT的后继计划--灵巧航空发动机用磁浮轴承计划（MAGFLY）。该计划的目标是开发采用主动磁浮轴承的航空发动机技术。该计划将开发用于灵巧航空发动机的新一代主动磁浮轴承；建立一套优化的灵巧航空发动机用主动磁浮轴承设计程序；建立一套完整的系统模拟工具，包括为采用主动磁浮轴承的灵巧发动机开发软件工具；建立完整的发动机机电系统设计能力；在不同试验台对设计工具和新方法进行验证。 　　三、结论 　　 未来几十年里，燃气涡轮发动机技术在民用航空市场仍将占据着重要地位。新颖的多电发动机将更好地满足未来经济性和环境条件的要求。尽管目前多电飞机还有许多技术难题没有解决，但它所具有的好处是毋庸置疑的。据预测，多电飞机及多电发动机的概念将在未来10~20年内研制成功。   涡轮喷气发动机 目前已经有适用于无人机的喷气发动机了，原来用于航空模型上的喷气发动机使用寿命很短。不适用于无人机！