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21世纪大飞机发动机的预研方案与关键技术

来源:http://www.3wtime.com 责任编辑:凯发娱乐官网k8com 2018-01-27 17:47

  21世纪大飞机发动机的预研方案与关键技术

   跟着航空发起机技能的飞速展开、市场竞争的日益剧烈和环保要求的不断严厉,大飞机发起机向着费用更低、功能更高和环保特性更好的方向展开。为此,在改发展开GE90、PW4084、TRENT800等发起机和全新研发GP7200、TRENT900、GEnx和TRENT1000等发起机的一起,美国和欧盟国家独立和/或联合施行了一系列的预研方案,开发和验证了功能高、质量轻、牢靠性高以及排放与噪声低的未来惯例循环大飞机发起机技能,探究研讨了更经济和环保的先进循环大飞机发起机技能,为未来大飞机发起机的研发打下了很好的技能根底。

  国外大飞机发起机技能研讨方案的展开

  1 美国大飞机发起机技能研讨方案
20世纪90年代,美国施行了经济、环保、节能发起机(5E)方案,高速研讨机(HSR)方案和先进亚声速技能(AST)方案等一些大飞机发起机预研方案,开发和验证了许多的气动、焚烧、传热、结构和资料等先进技能。20世纪90年代末,美国又起动了UEET预研方案,开发和验证立异的、绿色的、经济的大飞机发起机技能。
UEET方案始于1999年头,其总方针是选用NASA根底预研方案中许多的研讨成果为新一代飞翔器发起机供给先进部件与通用技能。详细方针是:与GE90发起机比较,燃油耗费下降10%,运用费用下降50%,噪声下降10dB,NOx排放下降20%。该方案首要有7个技能项目:推动体系一体化和鉴定;下降排放;高载荷涡轮机械;高功能发起机的资料和结构;推动体系/飞机一体化;推动体系操控;一体化的部件技能验证。
2004年,美国调整了UEET方案FY2004~2007的作业要点。调整后为:经过开发保证性的智能发起机改造技能,研发环境友好的清洁焚烧的涡轮发起机,进而在大大下降有害排放与坚持高的功能的一起到达显着进步牢靠性的意图。在方案级,要点开发亚声速飞翔器运用的低NOX焚烧技能、下降总燃油耗费率的技能和进步推重比的技能,开发超声速飞翔器运用的高功能进口技能,开发旋转翼飞翔器运用的先进驱动技能;在子方案级,开发低排放焚烧室技能、体系集成与验证技能、高负荷轻质量叶轮机技能、大升力旋转翼飞翔器的先进驱动体系技能和智能发起机的根底技能。
此外,在归纳高功能涡轮发起机技能(IHPTET)和多用途、经济可接受的先进涡轮发起机(VAATE)这2个预研方案下,美国开发和验证了一些军民两用技能。前者的总方针是到21世纪初使航空涡轮发起机的才干较1988年的水平进步1倍,详细方针是推重比进步100%、耗油率下降30%以及本钱削减35%。后者的方针是经过开发通用核心计、智能发起机和耐久性3大范畴的要害技能,到2017年使航空涡轮发起机的经济可接受性较2000年的技能水平进步10倍,详细方针如推重比进步200%,耗油率(燃料本钱)下降25%,研发、采办与全寿数修理本钱下降60%。

  2 欧盟大飞机发起机技能研讨方案
20世纪90年代,欧盟国家现已施行了一些商用航空发起机预研方案,开发并验证了许多较为先进的技能,获得了显着的成效。
2001年,欧盟航空研讨咨询委员会(ACARE)战略研讨局(SRA)断定了2020年大飞机的展开方针:相对2000年的技能水平,噪声下降50%;NOx排放下降80%;CO2排放下降50%;事端率下降80%;运用费用下降;投入市场时刻缩短50%等。其间,发起机的展开方针为:相对2000年技能水平的发起机(如CFM56和TRENT700),耗油率下降20%;NOx排放下降80%;噪声下降10dB;事端率下降80%;运用费用下降;投入市场时刻缩短50%。为此,欧盟国家不吝花费巨额资金,会集作业界与研讨界的力气,分级(部件级、核心计级和发起机级)、分批(欧盟第5、6、7结构)地展开体系成套的大飞机发起机预研方案,探究并研讨惯例循环和先进循环大飞机发起机方案和要害部件技能。
在第5结构,欧盟国家的航空发起机产官学安排联合拟定并施行了旨在下降排放的高效和环境友好的航空发起机(EEFAE)预研方案(核心计级)、旨在大幅度下降飞机噪声对居民区影响(SILENCE)的预研方案(部件级)和旨在进步功能的多电飞机(POA)预研方案(发起机级),与美国协作拟定并施行了TECH56和前沿航空推动(LEAP56)预研方案(发起机级)。

  在第6结构,持续拟定并施行了旨在下降排放和噪声的环境友好的航空发起机(VITAL)预研方案(低压部件级),一起起动了旨在探究研讨先进循环发起机的新式航空发起机方案(NEWAC)预研方案(核心计级)。现在,正在规划跨第6和第7结构的改造的发起机结构体系验证(“愿望”DREAM)(部件和发起机级)和清洁天空(CLEANSKY)预研方案,该预研方案是飞机级方案,包含可坚持且绿色的发起机(SAGE)分预研方案(部件和发起机级)。表1汇总了上述一些典型预研方案的时刻、出资、协作伙伴和研讨方针。

  3 美国和法国协作的大飞机发起机技能研讨方案
(1)TECH56方案。1998~2003年,CFMI公司拟定了旨在获取新技能的TECH56方案。其方针是:与1999年水平的CFM56发起机比较,具有费用(Owner Cost)下降15%~25%,燃油耗费率下降4%~7%,维护费用下降15%~20%,NOx排放下降到低于国际民航安排规则水平的50%,噪声相对于FAR36第3阶段的水平下降20dB。
该方案开发和验证了金属资料空心弯掠电扇叶片、新的高载荷高压压气机、低排放/低费用的双环腔贫油预混焚烧室、高载荷高压涡轮、对转低压涡轮和对转差动轴承、锯齿形喷管、冷却的全功能发起机数字操控器、低噪声喷气技能和电扇隔离器技能等。这些技能满意乃至超越了TECH56方案的预期方针,现已开端并将持续用于现役CFM56发起机的晋级和新式发起机的研发。
(2)LEAP56方案。在TECH56方案之后,CFMI公司断定了CFM56发起机的未来展开方向,即总运转费用逐渐下降;结构规划愈加结实;噪声显着下降;排放大大下降;循环参数完结最优;操控愈加高效;体系集成性显着改进等。为此,CFMI公司启动了LEAP方案,为未来30年或更远的发起机开发和验证更先进的技能。
其开发和验证的技能包含:铝、钛和复合资料电扇机匣等轻质结构,先进的复合资料电扇叶片,高功率且低油耗的高压压气机,双环形预旋流低排放焚烧室,涡轮3D规划,改造的发电设备规划等发起机根本规划技能;牢靠且轻质的部件,低费用的外部硬件,先进轻质齿轮箱,下一代操控器等发起机体系部件规划技能。根本技能的部件验证实验于2007年开端,体系验证实验于之后的2~3年进行,而运用这些技能的CFM发起机最早于2013年投入运用。

  别的,在LEAP56预研方案的根底上,CFMI公司也提出了拉动式开式转子方案。该方案与GE公司的GE36UDF发起机类似。对这些开式转子发起机,还要进行多年的研讨和实验验证。估计到2015年左右才干进行飞翔实验,2020年今后可能投入运用。

  未来大飞机发起机的要害技能

  1 紧凑叶轮机
叶轮机部件的多变功率现已超越90%,进步的潜力现已不大。因而,要点开发和验证了一些紧凑叶轮机,以进步发起机功率,下降费用,改进经济性。详细如下:
(1)MTU公司的增压比到达11的6级跨声速高压压气机;
(2)MTU公司探究研讨的压比为20左右的6级高压压气机;
(3)UEET方案研发的总压比为55~60的1级电扇/3级低压压气机/6级高压压气机;
(4)TECH56方案研发的压比为14.7的6级高压压气机。
(5)TECH56方案研发的2种对转的高负荷(进步15%)、高功率(进步1%)高压/低压涡轮;
(6)UEET方案开发和验证的级功率达90%、压比为5.5的高压涡轮;负荷添加50%、体系功率进步2%、体系质量减轻20%的严密匹配的低压涡轮。

  2 先进的低排放技能
除了开发和验证多孔层板火焰筒、陶瓷资料火焰筒、多孔内外壁火焰筒和起浮壁火焰筒等辅佐下降排放技能以外,国际闻名的航空发起机规划与制作商现已成功地推出了多种低排放焚烧技能,并进一步开发和验证了以下焚烧室:
(1)双环腔预混预涡流焚烧室(TAPS)。AST/DAC TAPS焚烧室现已运用到B787飞机的GEnx发起机中。第2代TAPS焚烧室已在LEAP56和UEET方案下开发和验证,方针是将NOx排放值较ICAO CAEP/2的极限值下降50%~80%。
(2)驻涡焚烧室。第3代驻涡焚烧室的实验验证作业现已获得成功,将探究移植到军用小涵道比涡扇发起机、商用大飞机发起机、工业和舰船燃气轮机中。
(3)TALON焚烧室。第1代和第2代现已成功运用。第3代TALON焚烧室(MSQ焚烧室)的NOx排放值大大满意了ICAO CAEP/6的要求,CO/CH满意了CAEP/6的方针值(别离有60%和95%的裕度),无可见烟。第4代TALON焚烧室(RSQ焚烧室)在UEET方案下研讨。
(4)贫油分级单环形低排放焚烧室。R·R公司等在ANTLE研讨方案下开发和验证。
(5)双头超低NOx贫油预混预蒸腾焚烧室。SNECMA公司等在CLEAN方案下开发和验证。
(6)部分蒸腾/快速混合焚烧室。MTU公司等的NEWAC方案正在开发。

  3 下降噪声技能
除了优化循环参数和选用GTF等先进循环以外,惯例大飞机发起机首要经过先进部件技能和先进短舱/装置技能,下降发起机的噪声。
现已运用的先进部件下降噪声技能包含优化处理进气/电扇机匣、加大电扇与进口导流叶片的距离、加大电扇与导流叶片的距离、优化电扇一切级与低压压气机/低压涡轮特定级的转子叶片与静子叶片的数量比、进口导流叶片与短舱吊挂一体化规划以及吸声衬垫等。正在开发和验证的包含3D叶型(掠形和弓形等)和尾迹办理等。
现已运用的选用先进短舱/装置下降噪声技能包含围巾式短舱进口、波瓣式混合器、用于起飞和着陆状况的外部气流混合器/引射器、可变面积电扇喷管、小突片喷管、操控3D核心计气流涡流结构技能和自动噪声操控技能等。

  4 新颖结构
新颖的结构是减轻大飞机发起机质量和进步牢靠性的要害技能,对进步发起机经济性也特别重要,现在发起机结构正在向部件一体化、冷却高效化和结构紧凑化方向展开。
新式一体化结构技能包含:电扇/压气机全体叶盘(环);电扇/压气机静叶成组;压气机转子分段焊接;涡轮全体叶盘;全体结构;全体混合器/扩压器等。
新式高效冷却结构技能包含:多孔层板火焰筒、起浮壁火焰筒、多斜孔气膜冷却火焰筒、发汗冷却火焰筒、复杂多通道逼迫对流加气膜冷却涡轮叶片、铸冷涡轮叶片、内部对流增强冷却涡轮叶片、超级冷却涡轮叶片和多孔层板涡轮叶片等。
新式结构紧凑技能包含无导向器对转涡轮和无静子对转电扇技能等。

  5 先进资料和工艺
先进的资料和工艺也是减轻大飞机发起机质量、进步功能、改进经济性的要害技能之一,现在它正在向功能高效化和环境无害化2个方向展开。

  功能高效化资料和工艺包含:外涵机匣、电扇转子/静子叶片、容纳环等冷端部件的树脂基复合资料及工艺;压气机转子/静子叶片、全体叶环、轴等中温部件的钛基和镍基复合资料及工艺;焚烧室火焰筒、涡轮转子/导向叶片、排气喷管等高温部件的陶瓷基复合资料和碳碳复合资料及工艺;涡轮盘粉末冶金及工艺;涡轮叶片单晶合金及工艺;压气机叶片和低压涡轮的钛铝金属间化合物及工艺;先进环保热障涂层及工艺等。

  为了满意未来航空发起机“无损害”的需求,PW和MTU等公司正在努力完结“作业场所无有害物质,作业人员无损伤,供给的产品和效劳安全”的方针。其开发和验证的要害技能和办法包含:保证资料充分使用、运用便当的规划技能;开发新的环保资料和无铬底漆与涂层;开发去除现役发起机和未来发起机有害资料的技能;开发防止有害物质呈现和废物排出的制作工艺;开发使动力充分使用并保证资料悉数使用的制作工艺;开发和完善使金属切开、钻孔、精加工等作业最少的制作工艺;研讨有害资料处理技能和6价铬外表处理代替技能;开发绿色的清洗剂与光滑资料。

  6 智能操控技能
发起机智能操控技能有可以精确感知发起机及其部件的作业环境和履行特定使命的才干,它还可以快速习惯改变的环境和功率下降的状况,精确地规划/从头规划一项使命乃至整个使命,进而使整个发起机在一切作业状况下的归纳功能(功能、可操纵性、牢靠性、寿数、费用)都到达最优,到达改进发起机的耐久性与经济可接受性的意图。现在,智能操控技能在UEET方案的推动体系智能操控项目和VAATE方案的智能发起机研讨范畴下进行开发和验证。其要害技能首要包含:焚烧、空隙和振荡的自动操控技能;高精度实时功能和寿数模型技能;分布式自动操控技能;发起机健康办理技能;一体化低观测性进气道和喷管技能;微机电传感器和作动器技能;信息交融技能;先进非线性技能;灵活结构、受控化学反应燃料等。

  7 先进循环
为了满意更具挑战性的方针,国际闻名的航空发起机规划与制作商正在探究研讨更经济和环保的先进循环大涵道比发起机技能。
(1)多电发起机。在美国的IHPTET方案、欧盟国家的航空发起机用自动磁力轴承(AMBIT)、灵活航空发起机用磁力轴承(MAGFLY)、多电发起机和机翼体系(MEEAWS)、POA、VITAL、NEWAC预研方案的SAGE下现已完结,正在或即将进行技能验证。其要害技能包含灵活航空发起机用自动磁力轴承规划技能、自动磁力轴承体系、内置式全体起动/发电机、分布式操控体系、电动燃油泵和电力作动器等。
(2)对转涡扇发起机。在EEFAE、SILENCE、VITAL、CLEANSKY方案的SAGE分方案下现已完结,正在或即将进行技能验证。其要害技能包含低噪声超大涵道比电扇、轻质容纳机匣、轻质结构件、大力矩发起机轴、轻质低噪声涡轮、轻质短舱、对转电扇、对转涡轮和低速增压级等。
(3)齿轮驱动的涡扇发起机。在先进的涵道桨扇(ADP)验证机方案、先进技能电扇归纳验证机(ATFI)方案、VITAL、 NEWAC和CLEANSKY预研方案的SAGE下现已完结,正在或即将进行技能验证。其要害技能包含轻质、高效、高牢靠性的齿轮箱技能,轻质、紧凑的高速低压压气机技能,少级数、短长度、轻质量低压涡轮技能等。
(4)间冷回热航空发起机。在CLEAN、航空发起机先进排气回热器技能(AEROHEX)、VITAL、 NEWAC和CLEANSKY预研方案的SAGE下现已完结,正在或即将进行技能验证。其要害技能包含中心的轴流-径向压气机、高效轻质间冷器、高压压气机自动喘振操控体系、变几许涡轮体系(高压、中压和低压涡轮)、结构紧凑且温差大的回热器组件。
(5)开式转子发起机。20世纪80年代进行了许多研讨和验证,90年代根本或挨近中止,近期又开端在DREAM、LEAP56等方案下进行探究研讨和实验验证。

  结束语

  跟着紧凑叶轮机、低排放焚烧室、先进降噪技能、新颖结构、先进资料和工艺、智能操控等惯例涡扇发起机技能,以及齿轮驱动涡扇发起机、间冷回热航空发起机和多电发起机等先进循环发起机要害技能的不断展开和成熟,未来大飞机发起机的功能将越来越高,经济性将越来越好,环保特性将越来越得到改进,乃至会获得突破性展开。

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