推重比15一級發(fā)動機關鍵技術及分析

王占學，劉增文，蔡元虎，李 斌

（1.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安 710072；2.沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

推重比15一級發(fā)動機關鍵技術及分析

王占學1，劉增文1，蔡元虎1，李 斌2

（1.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安 710072；2.沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

全面闡述和分析了推重比15一級渦扇發(fā)動機總體、風扇和壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、噴管等設計技術。

航空發(fā)動機；高推重比；設計

1 引言

時代的進步對高性能飛行器的需求越來越強烈，而在提高飛機技術水平方面，研制高推重比發(fā)動機是1個主要難題。推重比是衡量發(fā)動機工作能力的綜合指標之一，提高發(fā)動機推重比需要多學科技術（比如材料、結構、氣動設計等）共同提高才能實現(xiàn)。為此，世界航空大國先后制定了新技術開發(fā)和應用研究計劃，像美國國防部和NASA“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術”（IHPTET）研究計劃、英國“先進核心發(fā)動機技術”（ACME）計劃等，都將高推重比發(fā)動機作為發(fā)展目標。

本文基于國內外發(fā)展高推重比，特別是推重比15一級發(fā)動機的技術需求，對可能采用的新思想、新方法和新技術進行闡述和分析。

2 總體設計技術

要實現(xiàn)發(fā)動機推重比15的目標，必須在氣動、結構、材料等多方面采用新的設計思想和設計方法。從總體性能分析的角度看，目前處于第2層次的總體性能分析計算模型必須做相應的改進[1，2]，以適應高推重比發(fā)動機中采用新技術帶來的氣動和幾何參數(shù)的明顯變化；不僅要考慮高溫條件下化學平衡、不同的渦輪冷卻結構、組合控制規(guī)律等對總體性能參數(shù)的影響，還必須實現(xiàn)氣動設計和幾何、質量計算，以及與飛機的耦合，這樣才能實現(xiàn)氣動和幾何結構相互約束下的發(fā)動機參數(shù)優(yōu)化。

由美國NASA發(fā)動機性能程序NNEP和WATE程序耦合計算得到的推重比15一級發(fā)動機性能參數(shù)見表1，其高度、速度特性如圖 1、2所示[3]。

此外，為了與飛機系統(tǒng)能夠更好地協(xié)同工作，在發(fā)動機總體設計中還必須考慮飛機/發(fā)動機一體化設計問題。

表1 計算的推重比15渦扇發(fā)動機性能指標

3 風扇和壓氣機設計技術

在發(fā)動機風扇和壓氣機設計上，在保持高效率和足夠失速裕度的同時，要盡量實現(xiàn)用更少的級數(shù)達到更高的壓比。重點的研究方向是高通流設計、彎掠葉片和大、小葉片設計[4]，要以全三維定常流場數(shù)值模擬為主要內容的計算流體力學（CFD）作為主要的技術支持手段。

其風扇將由3、4級減少到1、2級，平均級壓比要大于2.2；高壓壓氣機應由 5、6級減為3、4級，單級壓比不小于1.8；葉尖速度應大于500m/s；為了保持壓氣機效率，應降低展弦比，采用更高的稠度，減小轉子進口輪轂比，采用掠型及大、小葉片技術。

轉子葉片采用低展弦比設計，以達到更好的耐用性、更低的成本、更好的抗失速能力和更少的零件數(shù)；高稠度則是與高負荷相聯(lián)系的，可以起到降低擴散因子的效果，便于降低氣動負荷。

帶掠型的風扇葉片設計，能削弱葉片通道中激波的強度，綜合考慮葉片的參數(shù)選擇和整體性能設計，還能讓掠型提高整個葉片的效率。在1996年，GE公司成功地試驗了葉片前掠的2級風扇試驗件（GESFAR），其效率比常規(guī)風扇的提高了4%[5]。

掠型葉片分為后掠（如圖3所示）和前掠（如圖4所示）。后掠葉片較易產生失速，強度和振動沒有很大的問題；前掠葉片不易引起失速，但應力過高，容易發(fā)生顫振。解決這一矛盾，可采用超塑成形/擴散連接（SPF/DB）空心寬弦葉片（如圖5所示），其中腔帶有桁條，質量輕，強度好。采用寬弦葉片可降低發(fā)動機耗油率、提高推力，并可加大風扇或壓氣級的喘振裕度。

2003年，P&W公司完成了XTC67/1核心機試驗，在其壓氣機葉片中采用了先進的楔體阻尼技術。楔形物被安裝在相鄰葉片之間的葉片平臺上，用于連接葉片、減小振動。

大、小葉片是在葉片后背段加上小葉片，以抑制氣流分離，并且可避免因增加全長葉片而引起的堵塞、效率下降和質量增加。美國Allison公司已經(jīng)設計了軍用帶大、小葉片轉子的大斜流風扇，雖然在某些方面稍有不足，但性能有了很大改進[6]。IHPTET計劃中的大、小葉片轉子設計方案如圖6所示。

為了進一步減輕質量，在設計中，風扇、壓氣機可能采用整體葉盤或鼓桶式無盤結構。R R公司的研究表明，采用整體葉盤結構，可使質量減輕50%；而無盤結構因為取消了輪盤，整體葉環(huán)采用鈦基復合材料制作，其質量將會減輕70%以上[6]。

為了降低葉柵2次流或附面層損失，可以采用葉片彎曲技術或附面層吸除技術。低壓壓氣機末級靜葉采用后掠傾斜葉片，還可以改善過渡段內的擴壓流動，防止壓氣機喘振或者增加喘振裕度[7]。

4 燃燒室設計技術

提高渦輪前溫度是先進發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢，不同推重比發(fā)動機燃燒室技術水平的對比見表2。從表2中可以看出，推重比15一級發(fā)動機燃燒室進、出口溫度更高，溫升更大，出口溫度分布系數(shù)更好，并且相對質量有很大的降低[8]。

表2 不同推重比發(fā)動機燃燒室技術比較

采用多級旋流和氣動霧化技術，以滿足燃燒性能要求和擴大燃燒穩(wěn)定工作范圍；火焰筒頭部分級、分區(qū)供油，并組織燃燒，可保證燃燒室在高油氣比范圍內可靠工作；研究強旋流或駐渦穩(wěn)定火焰筒技術，可解決高熱容設計中起動和火焰穩(wěn)定問題。

為提高火焰筒耐高溫能力，可將其材料由耐熱合金改為陶瓷基復合材料（CMC），如碳化硅纖維增強的碳化硅基復合材料火焰筒，在1480℃的壁溫下仍能工作[6]。

加強熱保護，采用強制對流和氣膜組成的復合冷卻等溫度主動控制技術，可以在形成氣膜以前通過強制對流換熱，使冷卻空氣盡可能多地吸收火焰筒基體的熱量，比純氣膜冷卻的效率更高。所以，復合冷卻浮動瓦塊結構具有最佳的冷卻效果和緊湊的結構形式，可以明顯地改善火焰筒壁面的受力狀況，大幅延長使用壽命，是燃燒室的主流發(fā)展方向（如圖7所示）。

5 渦輪設計技術

采用超跨聲速、高負荷、低稠度、無導葉和大轉折角對轉渦輪（如圖8所示），可使發(fā)動機性能得到大幅提高，同時質量得到明顯減輕。其主要優(yōu)點如下。

（1）降低渦輪部件質量[9]，簡化渦輪結構，材料利用更加充分，部件壽命更長，同時可縮短了發(fā)動機軸向長度。

（2）減少了冷氣量，如同時采用先進的傳熱冷卻技術，可以允許進一步提高渦輪前溫度T4*，從而提高發(fā)動機推重比。

（3）高、低壓渦輪轉子對轉，抵消了由于單向旋轉的轉子作用于飛機上產生的陀螺力矩，從而提高飛機的機動性和可操縱性。

（4）減少了內流通道中可能引發(fā)氣動阻力的零件，可以減小激波損失，并合理組織流動，充分利用流過葉片的氣體環(huán)量，增大葉片的升力，從而獲得更高的效率。

對帶導向葉片的渦扇發(fā)動機，基于附面層遷移理論，除了將其導向器葉片設計成彎曲的外，還需將葉片反扭曲，以改善動葉根部區(qū)的流動狀況，降低動葉頂部徑向間隙漏氣損失。P&W公司的低壓渦輪即采用三維復合扭曲導向葉片。

大轉折角、大彎度的寬葉片和低展弦比的設計，可以使渦輪葉片承受較高的氣動負荷，其氣流在較長的葉片通道中完成轉折，從而避免分離。英國和比利時聯(lián)合研制的對轉渦輪的氣流轉折角高達 130°[10]。

此外，渦輪前溫度的提高也對渦輪葉片材料提出了更高的要求。國外高推重比發(fā)動機采用了更耐高溫的第4代單晶高溫合金渦輪葉片，如EPM-102，比第2代單晶合金PWA1484和Rene N5所能承受的溫度約高出42℃[11]。冷卻技術和冷卻系統(tǒng)也是各發(fā)動機生產研究機構競相開發(fā)的重點，如P&W公司研制的“超冷”系統(tǒng)，GE公司開發(fā)的內部增強冷卻技術，RR公司研制的壁冷溫控系統(tǒng)等。超氣冷葉片的發(fā)展歷程如圖9所示。

6 加力燃燒室設計技術

適應隱身的需要，加力燃燒室應盡量降低紅外輻射。常用的方法是采用雙層結構，中間通冷卻空氣，但該結構增加了結構質量，降低紅外輻射的幅度較小。漩流加力的方案（如圖10所示）是采用1排可動的漩流葉片在其后方建立離心力場組織燃燒，同時葉片和內錐中間通冷卻空氣，可以有效降低紅外輻射。

美國空軍研究實驗室提出利用渦扇發(fā)動機外涵道中的脈沖爆震燃燒室來取代傳統(tǒng)加力燃燒室。研究結果表明，與常規(guī)加力渦扇發(fā)動機的相比，其性能明顯提高。該發(fā)動機的主要設計難點是外涵道中的脈沖爆震燃燒與風扇之間的相互影響，風扇的失速、油氣的混合、流體燃油的噴射和預引爆劑的要求等。所以，新型脈沖爆震渦扇發(fā)動機方案的多循環(huán)性仍需評估。

7 尾噴管設計技術

為了適應新型戰(zhàn)斗機的要求，未來的航空發(fā)動機將采用由碳-碳輕質材料加工的360°全方位偏轉矢量噴管。

近年來，國外眾多研究機構提出了利用流體注入來實現(xiàn)推力矢量的方法，即流體推力矢量（Fluidic thrust vectoring,FTV）概念[12～14]。在過去十幾年中，國外的研究機構開展了多種流體推力矢量控制方式的研究，主要針對3種控制方法，分別為激波矢量控制法（Shock Vectoring Controling，SVC；如圖11所示）、噴管喉部偏移法（Throat Shift，TS；如圖 12所示）和逆流法（Counter Flow，CF；如圖13所示）。盡管每種方法實現(xiàn)推力矢量的方式不同，但其控制原理都是利用二次流對主流的干擾形成推力矢量。與機械式的相比，流體推力矢量噴管結構簡單、質量輕、成本低、反應快、受力合理、適應范圍寬廣。

8 其它設計技術

高推重比發(fā)動機還會采取其它一些技術來降低發(fā)動機的質量、提高效率、增加推力。如以周圍環(huán)境中的空氣作為潤滑劑的箔片空氣軸承，去除了滑油系統(tǒng)，使整機質量大幅度減輕；采用磁懸浮軸承取代傳統(tǒng)的滾動軸承；用集成在發(fā)動機主軸上的起動發(fā)電機給發(fā)動機和飛機提供所需電源；全部用電氣化傳動附件，這不僅是美國IHPTET計劃的主要內容之一，而且是1997年12月歐共體制定的AMBIT研究計劃的惟一目標[15]。

9 總結

（1）在發(fā)動機總體方案設計過程中，必須強調氣動、幾何、結構的耦合設計，使發(fā)動機參數(shù)最優(yōu)。

（2）風扇和壓氣機氣動設計的重點是高通流設計、彎掠葉片和大、小葉片技術，結構設計將采用整體葉盤或鼓桶式無盤結構。

（3）復合冷卻的浮動瓦塊結構具有最佳的冷卻效果和緊湊結構形式，是燃燒室的主流發(fā)展方向。

（4）超跨聲速、高負荷、低稠度、無導葉、大轉折角對轉渦輪技術，附以流動控制技術，是高效渦輪的發(fā)展方向。

（5）采用漩流葉片在其后方建立離心力場組織燃燒的漩流加力方案是值得重視的加力燃燒方式。

（6）基于射流控制技術的推力矢量噴管，將在高推重比發(fā)動機設計中得到應用。

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Key Technologies and Analysis of Aeroengine with Thrust to Weight Ratio up to Level of 15

WANG Zhan-xue1,LIU Zeng-wen1,CAI Yuan-hu1,LI Bin2
（1.School of Engine and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China;2.Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China）

The design technologies for general,fan,compressor,combustor,turbine,afterburner and nozzle of turbofan engine with thrust to weight ratio up to level of 15were entirely illustrated and analyzed.

aeroengine;high thrust to weight ratio;design

王占學（1969），男，博士，教授，博士生導師，主要從事航空發(fā)動機總體和排氣系統(tǒng)設計研究。