重大工程应用案例

21世纪大飞机发动机的预研计划与关键技术随着航空发动机技术的飞速发展、市场竞争的日益激烈和环保要求的不断严格，大飞机发动机向着用度更低、性能更高和环保特性更好的方向发展。为此，在改进发展GE90、PW4084、TRENT800等发动机和全新研制GP7200、TRENT900、GEnx和TRENT1000等发动机的同时，美国和欧盟国家独立和/或联合实施了一系列的预研计划，开发和验证了性能高、质量轻、可靠性高以及排放与噪声低的未来常规循环大飞机发动机技术，探索研究了更经济和环保的先进循环大飞机发动机技术，为未来大飞机发动机的研制打下了很好的技术基础。国外大飞机发动机技术研究计划的进展1美国大飞机发动机技术研究计划20世纪90年代，美国实施了经济、环保、节能发动机（5E）计划，高速研究机（HSR）计划和先进亚声速技术（AST）计划等一些大飞机发动机预研计划，开发和验证了大量的气动、燃烧、传热、结构和材料等先进技术。20世纪90年代末，美国又起动了UEET预研计划，开发和验证创新的、绿色的、经济的大飞机发动机技术。UEET计划始于1999年初，其总目标是采用NASA基础预研计划中大量的研究成果为新一代飞行器发动机提供先进部件与通用技术。具体目标是：与GE90发动机相比，燃油消耗降低10%，使用用度降低50%，噪声降低10dB，NOx排放降低20%。该计划主要有7个技术项目：推进系同一体化和评定；降低排放；高载荷涡轮机械；高性能发动机的材料和结构；推进系统/飞机一体化；推进系统控制；一体化的部件技术验证。2004年，美国调整了UEET计划FY2004～2007的工作重点。调整后为：通过开发确保性的智能发动机革新技术，研制环境友好的清洁燃烧的涡轮发动机，进而在大大降低有害排放与保持高的性能的同时达到明显进步可靠性的目的。在计划级，重点开发亚声速飞行器应用的低NOX燃烧技术、降低总燃油消耗率的技术和进步推重比的技术，开发超声速飞行器应用的高性能进口技术，开发旋转翼飞行器应用的先进驱动技术；在子计划级，开发低排放燃烧室技术、系统集成与验证技术、高负荷轻质量叶轮机技术、大升力旋转翼飞行器的先进驱动系统技术和智能发动机的基础技术。此外，在综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)和多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)这2个预研计划下，美国开发和验证了一些军民两用技术。前者的总目标是到21世纪初使航空涡轮发动机的能力较1988年的水平进步1倍，具体指标是推重比进步100%、耗油率降低30%以及本钱减少35%。后者的目标是通过开发通用核心机、智能发动机和耐久性3大领域的关键技术，到2017年使航空涡轮发动机的经济可承受性较2000年的技术水平进步10倍，具体指标如推重比进步200%，耗油率（燃料本钱）降低25%，研制、采办与全寿命维修本钱降低60%。2欧盟大飞机发动机技术研究计划20世纪90年代，欧盟国家已经实施了一些商用航空发动机预研计划，开发并验证了很多较为先进的技术，取得了明显的成效。2001年，欧盟航空研究咨询委员会（ACARE）战略研究局（SRA）确定了2020年大飞机的发展目标：相对2000年的技术水平，噪声降低50%；NOx排放降低80%；CO2排放降低50%；事故率降低80%；使用用度降低；投进市场时间缩短50%等。其中，发动机的发展目标为：相对2000年技术水平的发动机（如CFM56和TRENT700），耗油率降低20%；NOx排放降低80%；噪声降低10dB；事故率降低80%；使用用度降低；投进市场时间缩短50%。为此，欧盟国家不惜花费巨额资金，集中工作界与研究界的气力，分级（部件级、核心机级和发动机级）、分批（欧盟第5、6、7框架）地开展系统成套的大飞机发动机预研计划，探索并研究常规循环和先进循环大飞机发动机方案和关键部件技术。在第5框架，欧盟国家的航空发动机产官学机构联合制定并实施了旨在降低排放的高效和环境友好的航空发动机（EEFAE）预研计划（核心机级）、旨在大幅度降低飞机噪声对居民区影响（SILENCE）的预研计划（部件级）和旨在进步性能的多电飞机（POA）预研计划（发动机级），与美国合作制定并实施了TECH56和前沿航空推进（LEAP56）预研计划（发动机级）。在第6框架，继续制定并实施了旨在降低排放和噪声的环境友好的航空发动机（VITAL）预研计划（低压部件级），同时起动了旨在探索研究先进循环发动机的新型航空发动机方案（NEWAC）预研计划（核心机级）。目前，正在规划跨第6和第7框架的革新的发动机结构系统验证（“梦想”DREAM）（部件和发动机级）和清洁天空（CLEANSKY）预研计划，该预研计划是飞机级计划，包含可保持且绿色的发动机（SAGE）分预研计划（部件和发动机级）。表1汇总了上述一些典型预研计划的时间、投资、合作伙伴和研究目标。3美国和法国合作的大飞机发动机技术研究计划（1）TECH56计划。1998～2003年，CFMI公司制定了旨在获取新技术的TECH56计划。其目标是：与1999年水平的CFM56发动机相比，拥有用度（OwnerCost）降低15%～25%，燃油消耗率降低4%～7%，维护用度降低15%～20%，NOx排放降低到低于国际民航组织规定水平的50%，噪声相对于FAR36第3阶段的水平降低20dB。该计划开发和验证了金属材料空心弯掠风扇叶片、新的高载荷高压压气机、低排放/低用度的双环腔贫油预混燃烧室、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、冷却的全功能发动机数字控制器、低噪声喷气技术和风扇隔离器技术等。这些技术满足甚至超过了TECH56计划的预期目标，已经开始并将继续用于现役CFM56发动机的升级和新型发动机的研制。（2）LEAP56计划。在TECH56计划之后，CFMI公司确定了CFM56发动机的未来发展方向，即总运行用度逐步降低；结构设计更加牢固；噪声明显降低；排放大大降低；循环参数实现最优；控制更加高效；系统集成性明显改善等。为此，CFMI公司启动了LEAP计划，为未来30年或更远的发动机开发和验证更先进的技术。其开发和验证的技术包括：铝、钛和复合材料风扇机匣等轻质结构，先进的复合材料风扇叶片，高效率且低油耗的高压压气机，双环形预旋流低排放燃烧室，涡轮3D设计，革新的发电装置设计等发动机基本设计技术；可靠且轻质的部件，低用度的外部硬件，先进轻质齿轮箱，下一代控制器等发动机系统部件设计技术。基本技术的部件验证试验于2007年开始，系统验证试验于之后的2～3年进行，而应用这些技术的CFM发动机最早于2013年投进使用。另外，在LEAP56预研计划的基础上，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发动机相似。对这些开式转子发动机，还要进行多年的研究和试验验证。预计到2015年左右才能进行飞行试验，2020年以后可能投进使用。未来大飞机发动机的关键技术1紧凑叶轮机叶轮机部件的多变效率已经超过90%，进步的潜力已经不大。因此，重点开发和验证了一些紧凑叶轮机，以进步发动机效率，降低用度，改善经济性。具体如下：（1）MTU公司的增压比达到11的6级跨声速高压压气机；（2）MTU公司探索研究的压比为20左右的6级高压压气机；（3）UEET计划研制的总压比为55～60的1级风扇/3级低压压气机/6级高压压气机；（4）TECH56计划研制的压比为14.7的6级高压压气机。（5）TECH56计划研制的2种对转的高负荷（进步15%）、高效率（进步1%）高压/低压涡轮；（6）UEET计划开发和验证的级效率达90%、压比为5.5的高压涡轮；负荷增加50%、系统效率进步2%、系统质量减轻20%的紧密匹配的低压涡轮。2先进的低排放技术除了开发和验证多孔层板火焰筒、陶瓷材料火焰筒、多孔内外壁火焰筒和浮动壁火焰筒等辅助降低排放技术以外，世界著名的航空发动机设计与制造商已经成功地推出了多种低排放燃烧技术，并进一步开发和验证了以下燃烧室：（1）双环腔预混预涡流燃烧室（TAPS）。AST/DACTAPS燃烧室已经应用到B787飞机的GEnx发动机中。第2代TAPS燃烧室已在LEAP56和UEET计划下开发和验证，目标是将NOx排放值较ICAOCAEP/2的极限值降低50%～80%。（2）驻涡燃烧室。第3代驻涡燃烧室的试验验证工作已经取得成功，将探索移植到军用小涵道比涡扇发动机、商用大飞机发动机、产业和舰船燃气轮机中。（3）TALON燃烧室。第1代和第2代已经成功应用。第3代TALON燃烧室(MSQ燃烧室)的NOx排放值大大满足了ICAOCAEP/6的要求，CO/CH满足了CAEP/6的目标值（分别有60%和95%的裕度），无可见烟。第4代TALON燃烧室(RSQ燃烧室)在UEET计划下研究。（4）贫油分级单环形低排放燃烧室。R·R公司等在ANTLE研究计划下开发和验证。（5）双头超低NOx贫油预混预蒸发燃烧室。SNECMA公司等在CLEAN计划下开发和验证。（6）局部蒸发/快速混合燃烧室。MTU公司等的NEWAC计划正在开发。3降低噪声技术除了优化循环参数和采用GTF等先进循环以外，常规大飞机发动机主要通过先进部件技术和先进短舱/安装技术，降低发动机的噪声。已经应用的先进部件降低噪声技术包括优化处理进气/风扇机匣、加大风扇与进口导流叶片的间距、加大风扇与导流叶片的间距、优化风扇所有级与低压压气机/低压涡轮特定级的转子叶片与静子叶片的数目比、进口导流叶片与短舱悬挂一体化设计以及吸声衬垫等。正在开发和验证的包括3D叶型（掠形和弓形等）和尾迹治理等。已经应用的采用先进短舱/安装降低噪声技术包括围巾式短舱进口、波瓣式混合器、用于腾飞和着陆状态的外部气流混合器/引射器、可变面积风扇喷管、小突片喷管、控制3D核心机气流涡流结构技术和主动噪声控制技术等。4新奇结构新奇的结构是减轻大飞机发动机质量和进步可靠性的关键技术，对进步发动机经济性也特别重要，目前发动机结构正在向部件一体化、冷却高效化和结构紧凑化方向发展。新型一体化结构技术包括：风扇/压气机整体叶盘（环）；风扇/压气机静叶成组；压气机转子分段焊接；涡轮整体叶盘；整体框架；整体混合器/扩压器等。新型高效冷却结构技术包括：多孔层板火焰筒、浮动壁火焰筒、多斜孔气膜冷却火焰筒、发汗冷却火焰筒、复杂多通道强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。新型结构紧凑技术包括无导向器对转涡轮和无静子对转风扇技术等。5先进材料和工艺先进的材料和工艺也是减轻大飞机发动机质量、进步性能、改善经济性的关键技术之一，目前它正在向性能高效化和环境无害化2个方向发展。性能高效化材料和工艺包括：外涵机匣、风扇转子/静子叶片、包容环等冷端部件的树脂基复合材料及工艺；压气机转子/静子叶片、整体叶环、轴等中温部件的钛基和镍基复合材料及工艺；燃烧室火焰筒、涡轮转子/导向叶片、排气喷管等高温部件的陶瓷基复合材料和碳碳复合材料及工艺；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。为了满足未来航空发动机“无危害”的需要，PW和MTU等公司正在努力实现“工作场所无有害物质，工作职员无损伤，提供的产品和服务安全”的目标。其开发和验证的关键技术和措施包括：保证材料充分利用、使用便利的设计技术；开发新的环保材料和无铬底漆与涂层；开发往除现役发动机和未来发动机有害材料的技术；开发避免有害物质出现和废物排出的制造工艺；开发使能源充分利用并确保材料全部利用的制造工艺；开发和完善使金属切割、钻孔、精加工等工作最少的制造工艺；研究有害材料处理技术和6价铬表面处理替换技术；开发绿色的清洗剂与润滑材料。6智能控制技术发动机智能控制技术有能够正确感知发动机及其部件的工作环境和执行特定任务的能力，它还能够快速适应变化的环境和功率降低的状态，精确地规划/重新规划一项任务甚至整个任务，进而使整个发动机在所有工作状态下的综合性能(性能、可操纵性、可靠性、寿命、用