未來民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)采用的新技術(shù)

未來民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)面臨的挑戰(zhàn)與過去差別不大，但將達(dá)到更高的要求。航空公司需要降低運(yùn)行成本，同時(shí)，環(huán)境方面的限制也將更加嚴(yán)格。為滿足未來的發(fā)展需求，歐洲和美國的發(fā)動機(jī)制造商正積極研究更先進(jìn)的概念--對轉(zhuǎn)風(fēng)扇、增加熱交換器或取消發(fā)動機(jī)的附件齒輪箱。這里將對國外航空發(fā)動機(jī)制造商正在發(fā)展的一些民用發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)行介紹。1、對轉(zhuǎn)風(fēng)扇技術(shù)未來的飛機(jī)發(fā)動機(jī)將采用兩級對轉(zhuǎn)復(fù)合材料的風(fēng)扇葉片。這項(xiàng)技術(shù)可大大降低風(fēng)扇的噪聲水平，大大減小風(fēng)扇的直徑，從而相應(yīng)減小風(fēng)扇葉尖的速度--當(dāng)風(fēng)扇葉尖的速度接近聲速時(shí)，將是發(fā)動機(jī)最大的噪聲源。對轉(zhuǎn)風(fēng)扇的最大技術(shù)難點(diǎn)是密封和軸承技術(shù)，它將承受過去兩倍的轉(zhuǎn)速。過去兩年，GE公司在"X代〃計(jì)劃下研究兩風(fēng)扇間的氣動干擾問題，并已取得了一定的研究成果。盡管沒有進(jìn)行正式的試驗(yàn)驗(yàn)證，但單個(gè)風(fēng)扇（代表雙風(fēng)扇系統(tǒng)中的一個(gè)）的臺架試驗(yàn)?zāi)壳罢谶M(jìn)行。目前，SNECMA公司也在其一項(xiàng)"關(guān)鍵研究計(jì)劃"下進(jìn)行兩級對轉(zhuǎn)風(fēng)扇概念的研究，用一個(gè)普通的風(fēng)扇概念和一個(gè)齒輪傳動系統(tǒng)使風(fēng)扇在與低壓級不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。該對轉(zhuǎn)風(fēng)扇系統(tǒng)的好處是由于低速旋轉(zhuǎn)，減少了氣動載荷。但是，目前發(fā)展的對轉(zhuǎn)風(fēng)扇系統(tǒng)非常復(fù)雜。2、 壓氣機(jī)技術(shù)為進(jìn)一步提高壓氣機(jī)的壓比，國外正在發(fā)展小展弦比的彎掠葉片、大小葉片和超聲速通流葉片技術(shù)。為進(jìn)一步減輕壓氣機(jī)的重量，正在發(fā)展壓氣機(jī)的整體葉環(huán)技術(shù)。GE公司未來高壓壓氣機(jī)的發(fā)展目標(biāo)是使6級結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)達(dá)到20的壓比。為改進(jìn)內(nèi)部的氣動特性（包括壓氣機(jī)和其他領(lǐng)域），工程師們正在研究采用附面層吹吸技術(shù)，以減少附面層的厚度。另一項(xiàng)改善發(fā)動機(jī)性能的技術(shù)是利用超快速作動的可變導(dǎo)向葉片實(shí)現(xiàn)的主動喘振控制技術(shù)。高壓壓氣機(jī)中的高速壓力傳感器可用于檢測喘振現(xiàn)象的開始，并相應(yīng)調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片的角度。這樣，可減小喘振裕度，提高壓氣機(jī)的效率。3、 燃燒室技術(shù)目前，GE公司正在發(fā)展雙環(huán)腔的預(yù)旋轉(zhuǎn)（TAPS）燃燒室技術(shù)，以使污染排放比目前的標(biāo)準(zhǔn)低85%。TAPS最初是Tech56計(jì)劃下為CFM56發(fā)動機(jī)系列發(fā)展的技術(shù)，現(xiàn)在，GE公司打算將這項(xiàng)技術(shù)用于大型航空發(fā)動機(jī)上。同時(shí)，GE公司也在研究主動控制技術(shù)，以保證獲得〃貧油的〃燃油/空氣混合物。主動控制技術(shù)將用于檢測可導(dǎo)致火焰熄滅的貧油混合物，從而消除混合物對富油裕度的需求。混合物越貧油，產(chǎn)生的對環(huán)境有害的NOX污染物的排放就越少。SNECMA公司還在用空間計(jì)劃發(fā)展的技術(shù)改進(jìn)燃燒室的結(jié)構(gòu)。為提高耐熱能力，燃燒室壁將采用陶瓷基復(fù)合材料，目前用于冷卻的空氣將加到燃油/空氣的混合物中，再次導(dǎo)致貧油的混合物。燃燒產(chǎn)生的污染也可通過采用多點(diǎn)噴射器技術(shù)達(dá)到更精密的原子級的燃油噴射。另外，該公司還在利用激光點(diǎn)火系統(tǒng)。一個(gè)由激光產(chǎn)生的熱源可比點(diǎn)火器的能量更高。點(diǎn)火范圍也可以擴(kuò)大。普?惠公司正在進(jìn)行與眾不同的減少NOX污染物的研究，減少燃油/空氣在燃燒室中的停留時(shí)間。羅?羅公司發(fā)展的〃第五階段〃燃燒室使NOX排放比1996年的標(biāo)準(zhǔn)低20~30%。目前，國外正在研究其他的低污染燃燒室，包括：分級燃燒室、貧油預(yù)混合/預(yù)蒸發(fā)燃燒室和富油燃燒/快速摻混/貧油燃燒室、變幾何燃燒室等。4、渦輪技術(shù)在高壓渦輪方面，GE公司的目標(biāo)是達(dá)到5.5的膨脹比。工程師們也在研究如何增加葉片的氣動載荷。SNECMA公司正在研究加強(qiáng)冷卻和熱障涂層技術(shù)。未來10年，大大降低的換熱系數(shù)將使葉片的壽命大大增加，提高渦輪進(jìn)口溫度或簡化冷卻系統(tǒng)。同時(shí)，普?惠公司正在研究通過采用如鈦鋁合金之類的材料使高壓渦輪的耐高溫能力提高的技術(shù)，采用這種材料后或者提高工作溫度，或者延長部件的設(shè)計(jì)壽命。未來低壓渦輪的發(fā)展方向是采用對轉(zhuǎn)技術(shù)以提高效率。目前，所有的發(fā)動機(jī)制造商都在尋求在未來的渦輪上部分采用智能技術(shù)。例如，GE公司正在尋找一種方法調(diào)節(jié)渦輪葉片的葉尖間隙。今天，間隙是為起飛條件準(zhǔn)備的，一旦飛機(jī)達(dá)到巡航速度，間隙將不再處于最佳狀態(tài)，因此，發(fā)動機(jī)的效率受到了損失。5、 控制技術(shù)為使發(fā)動機(jī)更加智能化，未來的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)不需要安裝更多的傳感器，但是能對它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的處理。FADEC系統(tǒng)將更加魯棒、能在不關(guān)閉發(fā)動機(jī)的情況下對意外的情況進(jìn)行控制。分布式控制將降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，大大減輕航空發(fā)動機(jī)的重量，提高可用性，改善故障隔離特性，提高可靠性，減少壽命期成本，減輕駕駛員的工作負(fù)荷，改進(jìn)發(fā)動機(jī)的控制，并帶來故障檢測和維修性方面的巨大好處。預(yù)計(jì)，采用分布式控制系統(tǒng)的大型民用發(fā)動機(jī)的重量可減輕50kg左右，維修成本可減少20~30%。6、 噪聲抑制技術(shù)發(fā)動機(jī)的噪聲主要有風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲、渦輪和燃燒噪聲及噴氣噪聲。民用高涵道比發(fā)動機(jī)的噪聲主要是風(fēng)扇。目前，降低民用發(fā)動機(jī)風(fēng)扇噪聲采用的技術(shù)有：提高涵道比，使發(fā)動機(jī)的排氣速度降低；降低葉尖切線速度、選擇合適的轉(zhuǎn)子葉片數(shù)目和合適的間距；采用吸聲襯墊和長的整流罩；對轉(zhuǎn)風(fēng)扇技術(shù)；采用流動控制降噪技術(shù)等。為降低高壓渦輪出口的噪聲等級，GE公司和SNECMA公司都在發(fā)展圍巾型的排氣噴管。這種系統(tǒng)在起飛時(shí)有很好的結(jié)果，但影響巡航時(shí)的性能。采用形狀記憶合金的圍巾型噴管有可能是解決這一問題的方法。另外，SNECMA公司還在研究在噴管的周圍定時(shí)和定向的噴射空氣以加速排氣的混合，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可能需要10年。另一個(gè)抑制噪聲的候選技術(shù)是主動控制技術(shù)，該技術(shù)如果在與固定和旋轉(zhuǎn)部件間的干擾相對應(yīng)的特有頻率下使用將非常有效。壓電作動器將可能被設(shè)置在如風(fēng)扇出口導(dǎo)向葉片這樣的關(guān)鍵位置上。7、間冷回?zé)峒夹g(shù)目前，由歐洲多國參與的間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動機(jī)(IRA)正在發(fā)展中。IRA的概念可使發(fā)動機(jī)的熱效率達(dá)到最大，通過采用一個(gè)熱交換器或回?zé)崞鳎倪M(jìn)熱力循環(huán)特性，減少氮氧化物的排放。回?zé)崞骺赡芪挥跓崤艢庵?，而一個(gè)收集器、分離器和管道的系統(tǒng)將提供熱交換器壓縮空氣，然后將其送回到燃燒室的進(jìn)口。該計(jì)劃將使壓氣機(jī)的空氣溫升提高200°C。結(jié)合齒輪傳動的風(fēng)扇，IRA概念與當(dāng)代的渦扇發(fā)動機(jī)相比，最多可少產(chǎn)生80%的氮氧化物。噪聲可低35dB，燃料消耗和CO2排放最多可少20%。預(yù)計(jì)，到2015年，IRA發(fā)動機(jī)將進(jìn)行飛行試驗(yàn)，2020年左右可獲得實(shí)際應(yīng)用。8、 整體起動機(jī)/發(fā)電機(jī)目前，國外多電發(fā)動機(jī)技術(shù)也正在發(fā)展中。在未來10年里，整體起動機(jī)/發(fā)電機(jī)將有可能取代今天與發(fā)電機(jī)分開的空氣起動機(jī)。在此5年之后，起動機(jī)/發(fā)電機(jī)可能被直接安裝在發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子上。采用整體起動/發(fā)電機(jī)可取消功率提取軸和減速器，減小發(fā)動機(jī)的重量和迎風(fēng)面積；所產(chǎn)生的電功率由兩根以上的發(fā)動機(jī)軸分擔(dān)，可以重新優(yōu)化燃?xì)獍l(fā)生器，有利于控制喘振和擴(kuò)大空中點(diǎn)火包線，改善發(fā)動機(jī)的適用性；易于獲得大的電功率，達(dá)幾兆瓦。更多的電力可用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，大大將少對放氣的需求。電動作動器將消除對液壓管線的需求，提高可靠性和靈活性，同時(shí)減少運(yùn)行成本。9、 脈沖爆震技術(shù)脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)是目前航空推進(jìn)領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)之一，它可使發(fā)動機(jī)的效率提高24%，生產(chǎn)成本降低25%，并有使燃油消耗降低25%及單位推力提高45%的潛力。另外，移動零件的數(shù)目可大大減少。目前，國外正在研究脈沖爆震混合推進(jìn)技術(shù)，即利用PDE取代民用超聲速運(yùn)輸機(jī)的加力燃燒室，或者作為與普通燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件相連的燃燒室。美國普?惠公司已對一種飛行尺寸的導(dǎo)彈用PDE進(jìn)行了試驗(yàn)，單管的爆震頻率已達(dá)到80Hz，并產(chǎn)生了667daN(1500lb)的推力。GE公司采用液體JetA燃料的PDE產(chǎn)生了超過44daN(100lb)的推力。美國空軍計(jì)劃在今年4月份開始一種PDE的試驗(yàn)飛行，預(yù)計(jì)，該發(fā)動機(jī)的最大推力為534daN(1200lb)，飛機(jī)的飛行速度大約為277.8km/h(150kt)。試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)將采用航空汽油。10、燃料電池技術(shù)燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，將氫直接轉(zhuǎn)化為電能和熱量的電化學(xué)設(shè)備，燃料電池的效率是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的兩倍以上。燃料電池也是綠色的發(fā)動機(jī)，因?yàn)樗詺錇槟茉?，排氣中只有水?1世紀(jì)的航空推進(jìn)將從今天的依靠化學(xué)燃燒的能源逐漸轉(zhuǎn)向一個(gè)采用混合能源的系統(tǒng)，最后將轉(zhuǎn)向大部分依賴基于電化學(xué)能源。向綠色發(fā)動機(jī)過渡的第一步是實(shí)驗(yàn)性地發(fā)展以燃料電池為動力的無人機(jī)和通用飛機(jī)。美國波音公司計(jì)劃在B737飛機(jī)上驗(yàn)證一種基于燃料電池的輔助動力裝置（APU），并可能在2010年以后在民用飛機(jī)上采用。同時(shí)發(fā)展的還有基于固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）的先進(jìn)的APU。波音公司預(yù)計(jì)，這種電池可使效率提高45%。相當(dāng)于一架典型的B777飛機(jī)每年可節(jié)省340500kg的重量，一架典型的B737飛機(jī)每年節(jié)省1360000kg的重量。預(yù)計(jì)，燃料電池技術(shù)將在2010年左右完全成熟。此外，燃料電池技術(shù)還允許設(shè)計(jì)者發(fā)展非傳統(tǒng)的動力裝置和機(jī)體結(jié)構(gòu)。目前，分布式的矢量推進(jìn)、分布式的排氣和分布式的發(fā)動機(jī)概念正在探索中，在這些概念中，微型或超微型的發(fā)動機(jī)可沿機(jī)體表面集中或分布式排列。另一個(gè)概念是幾個(gè)小風(fēng)扇被兩個(gè)或三個(gè)主動力裝置驅(qū)動。在一些概念中，即高效翼型如翼身融合體，由于機(jī)翼橫截面變得非常大，因此需要巨大的燃料電池。11、高超聲速渦輪組合推進(jìn)技術(shù)民用的高超聲速客機(jī)在21世紀(jì)有廣闊的前景。21世紀(jì)跨太平洋的客運(yùn)會大幅度增加，由于高超聲速客機(jī)飛行時(shí)間短，對于這樣遠(yuǎn)距離的運(yùn)行就很有吸引力。吸氣式高超聲速（飛行馬赫數(shù)大于5）飛行器是未來民用飛機(jī)的發(fā)展方向之一。渦輪基組合循環(huán)（TBCC）動力裝置可使未來的高超聲速飛行器像飛機(jī)一樣工作，并且可重復(fù)使用（大于1000次任務(wù)，每年可飛行100次），用途多樣，有靈活的發(fā)射和著陸地點(diǎn)，耐久性高，單位推力大，能采用普通的燃料和潤滑劑、成本低。目前，美國、日本和印度等國都在發(fā)展TBCC技術(shù)，并準(zhǔn)備在2006年以后進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證，200