先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)綜述

1、先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)綜述 進(jìn)入21世紀(jì),世界航空發(fā)動機(jī)技術(shù)取得了巨大進(jìn)步,并呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。美國推重比10一級渦扇發(fā)動機(jī)F119作為第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22的動力裝備部隊(duì),是當(dāng)今航空動力技術(shù)最具標(biāo)志性的成就。在此基礎(chǔ)上,美國持續(xù)實(shí)施了多個技術(shù)研究計(jì)劃,正在推動世界航空發(fā)動機(jī)技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展。本文從未來高性能航空發(fā)動機(jī)采用的高級負(fù)荷壓縮系統(tǒng)、高溫升燃燒室、高效冷卻渦輪葉片、推力矢量等方面,對其先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢進(jìn)行初步的分析研究。 高級負(fù)荷壓縮系統(tǒng)高壓壓氣機(jī)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是單級壓比高、級數(shù)少、推重比高、飛行性能好。對高級負(fù)荷的壓縮系統(tǒng),低展弦比設(shè)計(jì)、氣動前掠設(shè)計(jì)、 整體葉盤

2、、整體葉環(huán)、壓氣機(jī)穩(wěn)定性主動控制等技術(shù)是其中具有代表性的新技術(shù)。1低展弦比葉片設(shè)計(jì)及制造低展弦比葉片即寬弦葉片,它與窄弦葉片相比,增寬了弦長,使壓氣機(jī)的長度縮短,抗外物損傷能力、抗疲勞特性和失速裕度有所提高。還可使壓氣機(jī)零件數(shù)減少,降低生產(chǎn)和制造費(fèi)用成本(圖表1。90年代以來,英國羅·羅(R·R公司、美國普惠公司和GE 公司、法國SNECMA公 司不斷研制和改進(jìn)高壓壓氣機(jī)鈦合金寬弦葉片的氣動和結(jié)構(gòu)性能,廣泛應(yīng)用于大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)和高推重比小涵道渦扇發(fā)動機(jī)上。GE 公司TECH56技術(shù)計(jì)劃的驗(yàn)證機(jī)和F119發(fā)動機(jī)、EJ200發(fā)動機(jī)都采用了這種寬弦葉片。葉片的低展弦比設(shè)計(jì),結(jié)

3、合整體葉盤技術(shù)使得高壓壓氣機(jī)在減少級數(shù)和提高葉片強(qiáng)度的同時,具有更好的氣動穩(wěn)定性。低展弦比葉片需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是因重量增加而導(dǎo)致的輪盤與葉根結(jié)合處和輪盤本身的離心力增大問題。IHPTET計(jì)劃在大型渦扇和渦噴發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)上驗(yàn)證了該技術(shù),該技術(shù)還將在F135和F136發(fā)動機(jī)上采用。目前,低展弦比葉片已成為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)壓縮系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),與3D氣動掠形、空心結(jié)構(gòu)、整體葉盤結(jié)構(gòu)和更輕的鈦金屬基復(fù)合材料技術(shù)相結(jié)合,是未來的發(fā)展重點(diǎn)。2大小葉片設(shè)計(jì)及制造 大小葉片就是在全弦長葉片后增加一排小葉片,具有大大提高軸流壓氣機(jī)葉片排增壓比和減少氣流引起的振動等特點(diǎn),是使軸流壓氣機(jī)級增壓比達(dá)到3或3以上的具

4、有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)(圖表2。90年代,美國的霍尼韋爾(Honeywell和GE公司聯(lián)合研制和驗(yàn)證了分流小葉片。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用大小 3復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)及制造 GE公司研制的GE90系列發(fā)動機(jī)采用了復(fù)合材料風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片(圖3。該葉片由IM7中長碳纖維與增強(qiáng)的8551-7環(huán)氧樹脂組成的稱為“大力神”的材料加工而成。其壓力面涂有聚氨脂防腐涂層,葉身的吸力面涂有一般的聚氨脂涂層。為了提高葉片抗大鳥撞擊的能力,將鈦合金薄片用3MAF191膠粘在葉片前緣上;為了避免工作中復(fù)合材料葉片膠層剝離,在葉尖與后緣處用Kevler細(xì)線縫合;葉片根部的三角形榫頭承受壓力的表面涂有低摩擦系數(shù)的耐磨材料。采用上述復(fù)合材料

5、和工藝的風(fēng)扇葉片,不但明顯減輕了葉片本身的質(zhì)量,還減輕了其包容環(huán)、盤以及整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量,具有成本低、抗振(抗顫振性能好、抗損傷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。PW公司研制的PW4084和PW4168發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇靜子也采用了PR500環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料;F119發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)靜子采用了耐溫能力比PMR15樹脂基復(fù)合材料高55的AFR700B高溫樹脂基復(fù)合材料。此外,為了提高F119和F135發(fā)動機(jī)的性能,正在開發(fā)復(fù)合材料風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片技術(shù)。4空心葉片設(shè)計(jì)及制造20世紀(jì)80年代末,R·R、PW、GE、SNECMA等公司開始研制超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB的鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片,并很快在氣 抗振能力較

6、強(qiáng)、質(zhì)量較輕、加工成本較低等特點(diǎn),該葉片目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)上,并將陸續(xù)應(yīng)用到先進(jìn)的高推重比小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)上。風(fēng)扇和壓氣機(jī)寬弦空心葉片將成為高推重比(1020軍用發(fā)動機(jī)的標(biāo)志性技術(shù)之一。5整體葉環(huán)設(shè)計(jì)及制造鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)是發(fā)動機(jī)的發(fā)展重點(diǎn)之一。20世紀(jì)90年代初,AADC公司的IHPTET計(jì)劃XTC-16系列核心機(jī)4級壓氣機(jī)的第3級和第4級采用碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)(圖表4,大大減輕了轉(zhuǎn)子質(zhì)量,如第3級整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子質(zhì)量只有4.5kg左右,而同樣的鎳基合金轉(zhuǎn)子質(zhì)量為25kg。20世紀(jì)90年代,與GE公司合作研制的ATEGG驗(yàn)證機(jī)XTC76/2核心機(jī)5級高

7、壓壓氣機(jī)采用外圈增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子,滿足了高轉(zhuǎn)速和高溫的要求,減輕了盤的質(zhì)量,降低了制造費(fèi)用,改善了可維護(hù)性。MTU公司研究的碳化硅纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)已經(jīng)完成了低循環(huán)疲勞旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),計(jì)劃將其應(yīng)用到EJ200改進(jìn)型發(fā)動機(jī)的前2級高壓壓氣機(jī)上。SNECMA公司也采用基體涂覆纖維的方法制造了碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦合金基復(fù)合材料壓氣機(jī)整體葉環(huán)插 件。IHPTET計(jì)劃第二階段在驗(yàn)證機(jī)高壓壓氣機(jī)上采用了TMC整體葉環(huán)技術(shù)。IHPTET計(jì)劃第三階段中將驗(yàn)證的整體葉環(huán)的葉片材料是鈦鋁金屬間化合物,鼓為碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦金屬基復(fù)合材料,用黏結(jié)工藝制成,其重量只有常規(guī)金屬材料盤鼓結(jié)構(gòu)的30%。高

8、熱負(fù)荷燃燒室隨著推重比的增加,燃燒室進(jìn)出口溫度顯著提高,特別是出口溫度大幅度上升,釋熱率顯著提高,同時對燃燒室性能要求也有所提高,燃燒室重量限制進(jìn)一步增加,對材料以及冷卻也提出了更高要求。1多斜孔發(fā)散冷卻火焰筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造多斜孔發(fā)散冷卻方式在國外已經(jīng)開始了廣泛的研究,是一種比較成熟的冷卻方式,廣泛運(yùn)用于先進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒室火焰筒的全部或局部。如早期的Spey、RB162及Olympus593等大型燃燒室,以及TM公司的第三代小發(fā)動機(jī)Arriel等燃燒室都已經(jīng)采用該方式。另外GE90發(fā)動機(jī)的火焰筒也應(yīng)用了傾斜小孔的發(fā)散冷卻技術(shù),該發(fā)動機(jī)在1996年取得適航證。F414發(fā)動機(jī)燃燒室采用了IHPTET

9、技術(shù)轉(zhuǎn)化的多斜孔冷卻技術(shù),使其火焰筒壽命延長了3倍。2層板冷卻結(jié)構(gòu)火焰筒設(shè)計(jì)及制造層板冷卻是采用釬焊將多層帶孔和槽(或凸臺的耐熱合金片疊合而成,如英國R·R公司采用的Transply和美國GE公司采用的Lamilloy。多孔層板的冷卻過程為空氣從火焰筒二股通道經(jīng)有規(guī)律分布的小孔流入,然后在下層板料的小槽或者是小凸臺之間流動,再經(jīng)該層板上的小孔進(jìn)入到下層通道,至最下層的有規(guī)律排布小孔流出, 形成氣膜?？梢钥闯?多孔層板大大加大了換熱面積和內(nèi)部通道的對流換熱量。3熱障涂層(TBC和陶瓷復(fù)合材料(CMC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造目前,陶瓷是唯一可以在1370下不需要冷卻的耐高溫材料,其中氮化硅不僅強(qiáng)度

10、好而且最安全,使用溫度可達(dá)16501750,很多國家都已把陶瓷基復(fù)合材料納入了國家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。國外20世紀(jì)80年代采用高溫陶瓷結(jié)構(gòu)的汽車發(fā)動機(jī)已經(jīng)經(jīng)受了長期考驗(yàn)。該種高溫陶瓷材料也已在航空發(fā)動機(jī)熱端部件上試用。把陶瓷以涂層形式同金屬基體相結(jié)合,以發(fā)揮陶瓷耐高溫、耐腐蝕和密度低等優(yōu)點(diǎn),這稱為熱障陶瓷涂層(TBC。而在厚的陶瓷涂層(TBC和高溫合金火焰筒之間使用一種燒結(jié)金屬纖維結(jié)構(gòu)(柔性層,這樣的結(jié)構(gòu)稱為復(fù)合金屬/陶瓷火焰筒(CMC,是向完全的陶瓷冷卻結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種過渡方式。CMC技術(shù)用于大推力發(fā)動機(jī)燃燒室還正在研究中,IHPTET第二階段驗(yàn)證了其性能,如圖5所示的CMC燃燒室,其火焰筒外環(huán)為

11、層板冷卻結(jié)構(gòu),內(nèi)環(huán)則為CMC結(jié)構(gòu)。該燃燒室在ATEGG第二階段的油氣比水 平下具有重量輕,可承受更高溫度的能力。高負(fù)荷渦輪渦輪作為航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件在其研制體系中占有舉足輕重的地位,其關(guān)鍵技術(shù)主要涉及葉片設(shè)計(jì)及優(yōu)化、葉片冷卻及傳熱、渦輪與發(fā)動機(jī)壓縮系統(tǒng)的匹配等。1鑄冷葉片設(shè)計(jì)及制造技術(shù)“鑄冷”源于Allison公司提出的“Castcool”概念,是一種可以一次鑄造出內(nèi)部復(fù)雜形狀的加工方法,它能夠在耐高溫的單晶材料中鑄造出小孔和復(fù)雜的冷卻通道。1992年,IHPTET計(jì)劃第一階段尚未結(jié)束時,“Lamilloy”、“Castcool”等就已經(jīng)在研發(fā)中。第二階段結(jié)束時,利用鑄冷方法加工的雙

12、葉片層板冷卻導(dǎo)向器也在CAESAR驗(yàn)證機(jī)上通過了加速任務(wù)試車的耐久性試驗(yàn)。用于ATEGG和JTDE的“鑄冷”高、低壓渦輪葉片成功達(dá)到并超過了第二階段的渦輪溫度目標(biāo)。近幾年來,Allison公司將其獨(dú)特的Lamilloy冷卻技術(shù)應(yīng)用于CMSX-4單晶葉片,使得渦輪進(jìn)口溫度承受能力提高了222333K。而鑄冷Lamilloy葉片就是鑄冷工藝結(jié)合高效的Lamilloy冷卻方案的葉片,葉片前緣和尾緣采用氣膜冷卻,而葉片其余部分采用Lamilloy 冷卻,在一片單晶材料中鑄造,大大改進(jìn)了制造的成本。1994年, Allison公司在AE301X發(fā)動機(jī)上完成了渦輪試驗(yàn)。2超冷葉片設(shè)計(jì)及制造技術(shù) “超冷”又

13、稱為超級冷卻,源于PW公司的“super cooling”概念。“超冷”葉片有幾百個鑄造的或激光打的小孔。IHPTET計(jì)劃的第一階段后期,PW公司在1994年9月達(dá)到并超過了第一階段目標(biāo),于XTE65/2驗(yàn)證機(jī)上驗(yàn)證了“超冷”渦輪葉片,使渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟忍岣吡?22K。19921996年的CAESAR計(jì)劃中,驗(yàn)證機(jī)是由PW公司提供的一臺F119核心發(fā)動機(jī),其核心機(jī)的渦輪導(dǎo)向葉片采用了Allison公司的鑄冷Lamilloy方案以及PW的超冷方案,渦輪動葉也采用了超冷技術(shù)。3復(fù)合材料渦輪葉片設(shè)計(jì)及制造技術(shù)IHPTET計(jì)劃第三階段,GE和AADC公司在XTE-77驗(yàn)證機(jī)的高壓渦輪導(dǎo)向葉上采用陶瓷基

14、復(fù)合材料,與典型的鎳基超耐熱合金導(dǎo)葉相比,重量減輕50%,冷卻空氣量減少20%;在低壓渦輪導(dǎo)葉上也采用了陶瓷基復(fù)合材料,并用三維纖維結(jié)構(gòu)提高強(qiáng)度和耐久性。其低密度、耐高溫能力大大減輕了重量,減少了冷卻氣流。該技術(shù)已應(yīng)用于F136的低壓導(dǎo)葉。低壓動葉上也試驗(yàn)了CMC無冷卻渦輪工作葉片,其承受的溫度明顯高于類似的帶冷卻的葉片,密度是傳統(tǒng)葉片材料的1/3,熱膨脹系數(shù)是傳統(tǒng)鎳基合金的1/4。該技術(shù)計(jì)劃用于F136發(fā)動機(jī)的未來發(fā)展型。Willians國際公司驗(yàn)證了全復(fù)合材料部件的碳化硅- 碳復(fù)合材料渦輪轉(zhuǎn)子以及碳-碳排氣噴管,可提高溫度和減輕重量。其渦輪導(dǎo)向器由分離的導(dǎo)葉和環(huán)粘接而成,成本低,承溫能力高

15、。碳化硅-碳復(fù) 合材料渦輪轉(zhuǎn)子具有不用冷卻、耐高溫、重量輕、成本低等特點(diǎn)。4雙輻板渦輪盤設(shè)計(jì)及制造技術(shù)IHPTET計(jì)劃中對發(fā)動機(jī)的一些部件在結(jié)構(gòu)上做出了革新設(shè)計(jì),其中之一就是空心雙輻板渦輪盤。到2003年為止的IHPTET計(jì)劃第三階段中,已經(jīng)完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)試驗(yàn)工作,目前這項(xiàng)新技術(shù)已經(jīng)在一些發(fā)動機(jī)上得到了驗(yàn)證。圖表6為IHPTET計(jì)劃中設(shè)計(jì)的雙輻板渦輪盤,該雙輻板渦輪盤通過焊接而成,與傳統(tǒng)的渦輪盤相比較,能在重量上減輕17%,同時轉(zhuǎn)速能提高9%。 多功能推力矢量噴管推力矢量是指發(fā)動機(jī)推力不僅大小可變,而且方向也可以指向飛機(jī)的偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)、反推力等多個方向,使推力方向偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生附加力矩,

16、用于補(bǔ)充或取代飛機(jī)的氣動舵面對飛機(jī)進(jìn)行控制。1二元矢量噴管設(shè)計(jì)及制造技術(shù)二元噴管由轉(zhuǎn)接段和噴管兩部分組成,轉(zhuǎn)接段將發(fā)動機(jī)的圓截面 過渡到噴管的矩形截面。通過研究證實(shí),二元矢量噴管是一種多功能推進(jìn)裝置,易于實(shí)現(xiàn)推力矢量。隨著對推力矢量技術(shù)研究方向的明確,去掉了反推力裝置,改善了可靠性,減輕了重量,研制出了具有俯仰推力矢量的二元收一擴(kuò)噴管,美國第四代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)F-22的尾噴管就是采用的這種二元噴管(圖表7。 2固定幾何結(jié)構(gòu)氣動矢量噴管氣動矢量噴管是一種先進(jìn)的采用流體控制推力矢量、氣動喉道面積、噴管出口面積的固定幾何的矢量噴管方案,適用于與后機(jī)身高度一體化的低信號特征噴管設(shè)計(jì)。由于其幾何結(jié)構(gòu)固定,少了眾多復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng),它是排氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕便、低成本的技術(shù)途徑之一。與機(jī)械調(diào)節(jié)式矢量噴管相比,氣動矢量噴管可減少大量的運(yùn)動零件,結(jié)構(gòu)簡單,易于廣泛使用非金屬復(fù)合材料、重量輕;噴管喉道和出口截面 形狀設(shè)計(jì)靈活,易于實(shí)現(xiàn)與后機(jī)身的高度一體化設(shè)計(jì),有利于雷達(dá)及紅外隱身；易于加工制造，可維護(hù)性好，從而大大降低了重量，節(jié)約 了成本。正是由于以上特點(diǎn)，國外氣動矢量噴管已成為替代機(jī)械調(diào)節(jié) 式矢量噴管的革命性的技術(shù)方案，得到了廣泛的重視和研究。