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涵道比(bypass ratio)即渦輪發動機外涵道與內涵道空氣流量的比值。內涵道的空氣將流入燃燒室與燃料混合,燃燒做功,外涵道的空氣不進入燃燒室,而是與內涵道流出的燃氣相混合後排出。外涵道的空氣只通過風扇,流速較慢,且是低溫,內涵道排出的是高溫燃氣,兩種氣體混合后降低了流速與溫度,能夠降低雜訊,增加推力。

1 涵道比 -相關介紹

涵道比英國發動機工程師檢修某型號發動機葉片

大涵道比渦扇發動機是指涵道比4以上的渦扇發動機。由於大涵道比渦扇發動機的耗油率低、雜訊小,被廣泛用於大型民用和軍用運輸機以及其他大型亞聲速飛機如加油機、預警機、反潛機等。世界上第一種大涵道比渦扇發動機是1969年10月定型的美國通用電氣公司TF39-GE-1A,涵道比為8,起飛推力近20000daN,用於C-5A軍用遠程戰略運輸機。大推力的大涵道比渦扇發動機的出現推動了巨型寬體客機的誕生,1970年1月,涵道比為5.2的普惠公司JT9D-3渦扇發動機裝備波音747-100寬體客機投入使用。從此,大涵道比渦扇發動機開始在民用領域獲得大量使用,成為民用發動機市場的主角,其技術也迅速發展。一些新研製的或老型號軍用運輸機的升級也紛紛採用民用大涵道比渦扇發動機改型。

涵道比涵道比

發動機性能是影響民用運輸機經濟性最主要因素。過去半個世紀中,噴氣民航機的每座-公里的耗油量下降了近70%,其中三份之二是發動機降低耗油率的貢獻。渦輪風扇發動機由於不斷提高渦輪前燃氣溫度、總增壓比、涵道比,改進風扇和短艙性能,降低雜訊和污染,改善可靠性,在20世紀60年代開始取代早期油耗較高的渦輪噴氣發動機逐步而成為世界民用運輸機的最主要動力形式,運輸機發動機的主要性能指標--巡航耗油率已降低一半,發動機最大推力已超過50000 daN。在安全性、可靠性使用壽命和環保特性方面也取得巨大進步。發動機空中停車率從每1000飛行小時1次下降到0.002~0.005次左右,相當於一台發動機飛行60~150年才發生1次空中停車。航班準點率達到99.95%~99.98%,相當於每10000個航班只有2~5次因發動機原因而延誤15分鐘以上或撤消。發動機在飛機上不拆換的工作時間達到平均達10000~15000小時,最長的超過40000小時。發動機的雜訊強度和和污染物排放分別降低75%和80%。

大涵道比渦扇發動機特有技術的範圍可從下表說明。航空燃氣渦輪發動機有共用的基礎技術,軍用和民用發動機又各有關鍵技術和特有技術,政府的不同部門對發動機研究和發展的投資各有重點,但工業部門的經費則覆蓋軍用和民用的所有技術。

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2 涵道比 -關鍵技術

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1 大尺寸風扇

大尺寸風扇是大涵道比渦扇發動機的特有技術。隨著發動機涵道比的增加,風扇向著大直徑、低壓比方向發展,其設計要求是效率高、雜訊低、重量輕、抗外物損傷能力強。在三維黏性CFD設計方法的基礎上發展起來的掠形葉片可以降低葉片進口氣流相對馬赫數,減少激波損失,提高風扇效率和流量。掠形葉片使風扇葉片效率提高3%~5%,空氣流量增加3%~10%。由於前掠葉片的失速裕度比后掠葉片的大,因此前掠葉片更受人們的重視。

在材料、結構和工藝方面有無凸台寬弦空心鈦合金葉片和樹脂基複合材料葉片。前者用超塑性成型/擴散連接(SPF/DB)工藝製成,後者由增韌環氧樹脂/石墨纖維預浸帶纏繞,然後用模壓成型。此外,Kevlar複合材料纏繞的多層包容環和葉片圓弧形榫根等也值得引起重視。

2 高壓比多級高壓壓氣機

高壓比多級高壓壓氣機是大涵道比渦扇發動機的關鍵技術。由於民用發動機的總壓比不斷提高的趨勢,目前超過40,今後將進一步提高到50以上。軍用發動機的高壓壓氣機壓比一般為6~8,還沒有超過10的,但是民用發動機的一般為12~20,GE90的10級(在後來的GE90-115B中減為9級)高壓壓氣機的壓比更達到23,平均級壓比為1.37,都是所有實用中發動機的高壓壓氣機之最。正在研製中的PW6000發動機的高壓壓氣機以6級達到11的壓比,平均級壓比近1.5。研究中的平均級壓比為1.4~2.1。

所涉及的技術包括全三維黏性CFD分析技術、先進葉(型掠形葉片、串列葉片、彎曲葉片和傾斜葉片)、吸附式葉片和主動穩定性控制。

其他有關高壓壓氣機的關鍵技術有葉尖間隙控制、機匣處理、整體葉盤和整體葉環等。

(圖)新型涵道比飛機
新型涵道比飛機

3 低污染燃燒室

當前對環境排放的憂慮集中在空港周圍的社區,而且,如果污染問題得不到解決,就會影響到空運的未來發展。歐盟和美國的環境保護局對ICAO施加壓力,要求制定進一步降低飛機排放NOx 條例。

飛機的排放標準陸續有1986年、1996年、2004年和2008年生效的ICAO的caep1、2、4和6,相對前一個標準後者分別降低20%、16.5%和12%。

目前,大多數的民用飛機滿足現行1996年ICAO的LTO NOx 標準還有餘,而關於巡航NOX排放對臭氧層破壞和全球大氣變暖的憂慮卻在增加。

所涉及的關鍵技術技術有徑向和軸向分級燃燒、貧油直接噴射(LDI)、富油/快速摻混/貧油(RQL)燃燒燃燒和能減少冷卻空氣的新的高溫陶瓷基複合材料。減低排放的主動燃燒控制技術也在研究中。

通用電氣公司正在研製的GEnx採用雙環腔與旋流(TAPS)燃燒室后,其NOx、煙、UHC、CO的排放只有CAEP標準的45%、10%、5%和30%;普o惠公司在PW4098和PW8000發動機中採用泰龍-II(TALON)燃燒室后,UHC、CO、NOx和煙的排放分別為目前標準限制值的3%、24%、65%和94%。在羅o羅公司在ANTLE計劃下研究的一種貧油單級同心分級燃燒室,通過減少油氣滯留時間、加強混合、優化化學恰當比和瓦片冷卻結構實現這個目標。2005年第一季度在發動機上進行驗證,其NOx排放比1996年的CAEP4標準低50%以上。

涵道比涵道比

4 高效多級低壓渦輪

在大涵道比渦扇發動機中,低壓渦輪的效率對耗油率有重要影響,其重量和成本分別佔全台發動機的25%和15%左右。因此高效多級低壓渦輪的設計對發動機性能、重量和成本十分重要。

在低壓渦輪設計中已普遍三維黏性CFD設計技術。因為低壓渦輪通道有較大的擴張度,採用正交設計后,葉片的尖部和根部彎曲,形成所謂的彎曲葉片。主動葉尖間隙控制已經得到普遍的應用,通過對機匣噴射冷卻空氣可以在不同的工作狀態下都保持最佳的間隙。

德國MTU公司在低壓渦輪方面有豐富的設計經驗,該公司正在研究三維氣動設計方法、先進封嚴系統、高效冷卻系統、低成本輕重量材料、低損失空腔設計和主動/被動附面層控制技術。最近,在先進渦扇綜合(ATFI)驗證機上驗證了膨脹比為4.5的兩級渦輪,一種高升力葉柵可使葉片數減少20%而不降低效率,用鈦鋁金屬間化合物取代傳統鎳基合金可使葉片減重40%。在GP7200發動機研製中,5級低壓渦輪達到92.4%的等熵效率。

近來各國正在研究低壓渦輪葉片分離控制。美國空軍研究實驗室推進所渦輪發動機部在低壓渦輪上進行渦流發生器射流(VGJ)的試驗和模擬研究。試驗結果發現:採用VGJ可以大大減小低雷諾數下的吸力面附面層分離。用0.4%的氣流測得的尾渦損失降低達65%,葉片的壓力分佈還有所改善。

5 降噪技術

從60年代中期到90年代中期,給定推力的雜訊水平已經減少20dB。對於聽者,主觀上的雜訊強度減輕了四分之三。現在執行的ICAO第三章雜訊標準比1971年執行的第一和第二章低20dB,到2001年將對2006年1月1日起取證的飛機採取更嚴格的第四章雜訊標準,又將比第三章低10dB。事實上,生產中的飛機都滿足這個標準,將在2014~2015年投入使用的第五代飛機雜訊將比第三章標準低35~40dB。歐洲和美國都制定了在10年和20年內將雜訊在分別降低10dB和20dB的研究計劃。

對於早期安裝渦噴發動機的客機,其主要雜訊源是發動機尾噴管排氣,而在安裝渦扇發動機的飛機上,風扇的雜訊成為最主要的,其次才是核心排氣(起飛)或飛機機體(著陸)。

當前採用或在研究中的降噪措施主要有:

(1)盡量提高涵道比,降低發動機平均排氣速度,但受到風扇和發動機尺寸的限制。
(2)在對氣動性能不造成大的損失的條件下,降低風扇葉尖切線速度;採用掠形葉片和傾斜葉片;鋸齒形風扇出口導向葉片后緣和吹氣式尾跡管理;合理選擇葉輪機轉子葉片和靜子葉片的數目比例;加大轉子和靜子的軸向距離;減小葉尖間隙;低損失空腔設計。
(3)採用對轉風扇 在歐洲航空第6框架內的環境友好航空發動機計劃下正在研究對轉風扇,並將在俄羅斯中央航空發動機研究院的試驗台上進行氣動聲學試驗。希望能降低雜訊5分貝。
(4)在減少噴氣雜訊方面,正研究各種加快內外流氣流之間和噴流與大氣混合的噴管,具體的方案有非軸對稱風扇噴管、中心線偏置的風扇和核心噴管以及鋸齒形核心和風扇噴管。
(5)採用向上傾斜的進氣口(scarf inlet)和噴口,使雜訊向上傳布。
(6)採用加長外涵道,廣泛敷設利用赫姆霍茨效應原理的消聲襯墊,包括頻率自適應襯墊,甚至雜訊主動控制技術。

涵道比涵道比

6 高效、長壽命大功率減速器

在齒輪傳動渦扇發動機中,高效、長壽命大功率減速器是不可或缺的重要部件。減速器的作用是保證兩個不同轉速的部件相互匹配和高效傳遞功率,因此它的技術要求很高。

普惠公司由於堅信齒輪傳動渦扇發動機的潛在效益,多年來在高效大功率減速器的發展方面已經投入幾億美元。該公司的STAR-1減速器的傳動功率達24000kW已經完成了1000h的部件試驗和1000h的發動機試驗,機械效率超過99%,熱負荷僅為預期值的一半,壽命指標為30000h。正在研究的一種功率近30000kW的減速器也已經做了100h的發動機試驗。

在減速器的發展中,除了要設計輕重量的齒輪外,還必須採用新的滑油和冷卻技術。普o惠公司採用了一種自動定心(self-centering)技術,幾乎消除了齒輪副之間的偏心和應力。

在為未來窄體客機的齒輪傳動渦扇發動機的研製中,普o惠公司以義大利的Avio公司作為合作夥伴,負責減速器的研製和製造。該公司在航空發動機的機械傳動方面擁有豐富的經驗。這種齒輪傳動渦扇發動機將在2007年進行地面驗證,2008年飛行驗證。

7 間冷回熱循環發動機技術

間冷回熱循環可以降低壓氣機加壓所需的功、進入燃燒室的氣流溫度和回收排氣中的熱,因而有利於提高發動機熱效率和減少NOx排放。與常規渦扇發動機相比,間冷回熱循環發動機可降低NOx排放80%,減少燃料消耗和CO2排放18%。

這是一項比較遠期的技術。在歐洲的環境友好發動機技術驗證(CLEAN)計劃中,正在驗證一種帶齒輪傳動風扇的間冷回熱循環發動機技術。在這種三轉子方案中,涵道比可以達到15左右,風扇葉尖速度也有相應的降低。風扇通過齒輪箱由高速的低壓壓渦輪驅動。超大涵道比發動機對高總壓比的要求由高壓和低壓壓氣機之間的中間冷卻器和採用雙級燃燒室的回熱核心機來滿足。間冷器用外涵空氣作為冷源。在CLEAN計劃中的關鍵技術包括齒輪傳動風扇系統、高壓壓氣機主動喘振控制系統、間冷器、貧油預混預蒸發燃燒室、高速多級低壓渦輪、渦輪中央框架和輕重量高效回熱器。

CLEAN計劃的驗證機已經在2004年交付,安裝在德國斯圖加特的高空模擬試車台上,並在兩個半月內試驗了80h。結果表明,間冷回熱發動機概念的目標已經基本實現,裝備這種發動機的飛機可以節省燃油達17%,減輕飛機重量6%。

除了上述特有關鍵技術外,大涵道比渦扇發動機的研製還需要重視以下技術:

(1)反推力裝置設計技術;
(2)環境和吞咽試驗技術;
(3)發動機狀態監視、故障診斷和預測維修技術;
(4)長壽命、高可靠性設計技術;
(5)多(全)電發動機技術;
(6)低污染、可再生替代燃料;
(7)低阻力短艙設計,如層流短艙設計;
(8)推進系統/飛機一體化技術,如半埋的分散式推進系統和翼身融合體機體的一體化設計。

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