導(dǎo)語(yǔ)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升技術(shù)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)提升熱效率及推進(jìn)效率的技術(shù)方案，進(jìn)行了相關(guān)理論分析，并重點(diǎn)分析了以美國(guó)PW公司為例的實(shí)際機(jī)型研發(fā)過(guò)程，據(jù)此引入了槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)概念。盡管以槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用前景目前有待進(jìn)一步確認(rèn)，但對(duì)以提升熱效率和推進(jìn)效率為重要研究方向的航空發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注程度已在逐步提升。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；熱效率；推進(jìn)效率；節(jié)能；槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)；航空運(yùn)輸

在過(guò)去的50年內(nèi)，民用航空運(yùn)輸已成為旅游出行的主要方式之一，并有著無(wú)可比擬的速度和效率[1]。作為飛機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)研究將長(zhǎng)期延續(xù)下去，而該領(lǐng)域當(dāng)前的重點(diǎn)研究目標(biāo)是改進(jìn)性能和成本。以渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的航空推進(jìn)動(dòng)力裝置源于戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期的技術(shù)革新，并據(jù)此得到了相應(yīng)的發(fā)展。早在20世紀(jì)50年代后期，民用飛機(jī)工業(yè)發(fā)展即已進(jìn)入了全新的技術(shù)發(fā)展階段，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)也得以首次登場(chǎng)。早期的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)僅采用適度的涵道比，約為0.3~0.6，并且采用了雙轉(zhuǎn)子布局，同時(shí)也使其推重比和效率等參數(shù)得以不斷提高。與此相對(duì)，低涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)通常用于軍用飛機(jī)。就目前而言，民用飛機(jī)工業(yè)已逐漸進(jìn)入寬體飛機(jī)時(shí)代，涵道比大于5：1的高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸受到了廣泛關(guān)注。

1航空發(fā)動(dòng)機(jī)提升熱效率的技術(shù)方案

目前，仍在不斷改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放。后者很大程度上影響到燃燒系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，包括燃油噴嘴需以低溫燃燒的方式實(shí)現(xiàn)較高的燃燒效率，而此類(lèi)設(shè)計(jì)亦會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。部件效率的不斷改進(jìn)，無(wú)疑會(huì)對(duì)整機(jī)熱效率起到一定的提升作用。在過(guò)去的數(shù)十年內(nèi)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展，并對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)化起到重要影響作用。可以預(yù)料到，在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)部件效率的改良趨勢(shì)將有所減緩?？傇鰤罕群蜏u輪進(jìn)口溫度這2個(gè)參數(shù)是燃?xì)廨啓C(jī)工作循環(huán)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)[2-4]。隨著壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的不斷增多，必然會(huì)使得整機(jī)重量和復(fù)雜性隨之提升。盡管如此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在熱效率方面的改善是有目共睹的。在過(guò)去20年內(nèi)，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比的不斷增大，新機(jī)型的壓氣機(jī)級(jí)數(shù)比一些舊款機(jī)型有所減少。迄今為止，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率進(jìn)行改良的最有效措施是研制新的材料，可有效促進(jìn)渦輪進(jìn)口溫度的不斷提升。在過(guò)去的數(shù)十年間，美國(guó)軍方開(kāi)展了綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃（IHPTET）。其中一部分工作是致力于在高溫場(chǎng)合下優(yōu)先采用陶瓷材料。應(yīng)用陶瓷材料的技術(shù)難點(diǎn)在于其延展性較低，因此存在較高的風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此，該技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于非運(yùn)動(dòng)部件則有著較高的應(yīng)用價(jià)值。此項(xiàng)技術(shù)于近年來(lái)已在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通常認(rèn)為，此項(xiàng)技術(shù)在若干年內(nèi)不會(huì)考慮優(yōu)先在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。通常要求研制出的新型材料有利于減輕整機(jī)重量。同時(shí)，仍需控制渦輪進(jìn)口處溫度分布的均勻性。為此需采用更精確和更精密的溫度測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)，也需對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。在此類(lèi)新材料應(yīng)用于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)之前，仍有一系列工作需要開(kāi)展。

2航空發(fā)動(dòng)機(jī)提升推進(jìn)效率的技術(shù)方案及實(shí)例分析

2.1航空發(fā)動(dòng)機(jī)提升推進(jìn)效率的技術(shù)方案。在下一個(gè)十年，預(yù)期商用飛機(jī)將以更高效的新一代產(chǎn)品來(lái)替代現(xiàn)有機(jī)型。因此，就經(jīng)濟(jì)層面上而言，其制造成本、燃油經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本需比現(xiàn)有機(jī)型有所大幅改進(jìn)。為支持這一目標(biāo)，需要提供全新推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)采用更高參數(shù)（氣體溫度和壓力）的發(fā)動(dòng)機(jī)可直接改善熱效率及推進(jìn)效率。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力F通過(guò)如下公式進(jìn)行定義：F=w•(Vj-Va)（1）式中：w—發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量流量；Vj—噴氣速度；Va—飛機(jī)飛行速度。因此，對(duì)于某個(gè)特定的飛行速度，可以由高質(zhì)量流量和低噴氣速度的發(fā)動(dòng)機(jī)獲得與低質(zhì)量流量和高噴氣速度的發(fā)動(dòng)機(jī)相同的推力[5-6]。由于當(dāng)噴氣流離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)后，余留在噴氣流中的動(dòng)能無(wú)法起到推進(jìn)作用，由此可知，采用低噴氣速度的高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的效率。實(shí)際上，推進(jìn)效率η：η=2/(1+Vj/Va)（2）取其極限，當(dāng)Vj=Va時(shí)，推進(jìn)效率=100%。但事實(shí)上，在該工況點(diǎn)的推力為0。因此，該項(xiàng)結(jié)論表明，使Vj盡可能接近于Va是切合實(shí)際的。在設(shè)計(jì)中，如采用更高的質(zhì)量流量和更低的噴氣速度，即意味著要求發(fā)動(dòng)機(jī)有著更大徑向尺寸和更高的涵道比。高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀是，其需要較低的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，一方面需確保葉片應(yīng)力處于可控范圍內(nèi)，另一方面則應(yīng)確保發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖線速度處于聲速或接近聲速的狀態(tài)。由于風(fēng)扇通過(guò)低壓渦輪驅(qū)動(dòng)，為此導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)徑向尺寸的不斷增大，同時(shí)為達(dá)到較低轉(zhuǎn)速而使低壓渦輪級(jí)數(shù)較多。因此，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，大多數(shù)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比設(shè)定為5左右[7]。在過(guò)去的30年內(nèi)，已經(jīng)通過(guò)多種途徑來(lái)不斷提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率，主要的技術(shù)創(chuàng)新如下：（1）低壓渦輪和風(fēng)扇之間設(shè)置減速齒輪箱，以便在渦輪和風(fēng)扇之間實(shí)現(xiàn)所必需的轉(zhuǎn)速匹配；（2）重新設(shè)計(jì)不帶定子的渦輪。每組葉片構(gòu)成一級(jí)渦輪，與其相鄰一級(jí)進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)。上述第2項(xiàng)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，可渦輪轉(zhuǎn)速降低達(dá)一半，此類(lèi)設(shè)計(jì)理念需采用兩級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇。而在進(jìn)行“開(kāi)式轉(zhuǎn)子”或“無(wú)涵道風(fēng)扇”概念驗(yàn)證期間，即已對(duì)該兩項(xiàng)概念開(kāi)展過(guò)相應(yīng)研究。早在20世紀(jì)70年代，為應(yīng)對(duì)石油輸出國(guó)組織（OPEC）的石油禁運(yùn)令，美國(guó)方面即已開(kāi)始進(jìn)行上述領(lǐng)域的研究。后期由PW公司（Pratt&WhitneyGroup）推出全新的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇以及其他諸多改進(jìn)技術(shù)[8]。2.2以美國(guó)PW公司實(shí)際機(jī)型研發(fā)過(guò)程為例的技術(shù)分析。早期的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)以大約5：1的涵道比進(jìn)行運(yùn)行。由于低壓渦輪和由低壓渦輪傳動(dòng)的風(fēng)扇之間存在轉(zhuǎn)速不匹配的情況，顯著限制了涵道比的不斷增大。更大的涵道比需要更低的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。在當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)中，風(fēng)扇葉片的葉尖線速度已臻超聲速狀態(tài)，增加涵道比而不降低轉(zhuǎn)速意味著更大應(yīng)力的存在，并且易于導(dǎo)致能量損失。同時(shí)，低壓渦輪較低的轉(zhuǎn)速同樣會(huì)導(dǎo)致效率下降。20世紀(jì)80年代，由PW公司研發(fā)的578DX型發(fā)動(dòng)機(jī)，其設(shè)計(jì)方案是在發(fā)動(dòng)機(jī)和復(fù)雜的對(duì)轉(zhuǎn)可變槳距槳扇之間使用一個(gè)齒輪箱。該槳扇具有2組6槳葉螺旋槳，槳葉具有很大的后掠角和曲度。其具有渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)所具備的飛行速度和推力，并具有先進(jìn)渦輪螺旋槳飛機(jī)所具有的燃油經(jīng)濟(jì)性。此發(fā)動(dòng)機(jī)于1989年安裝在一架經(jīng)改型的麥克唐納道格拉斯公司MD-80飛機(jī)上，完成其首次飛行。然而該款578DX發(fā)動(dòng)機(jī)仍存在諸多技術(shù)問(wèn)題，其較難以與飛機(jī)實(shí)現(xiàn)匹配，同時(shí)還包括噪聲、重量和可靠性等其他問(wèn)題。從1998年開(kāi)始，PW公司制造了一系列通過(guò)齒輪傳動(dòng)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，每一款發(fā)動(dòng)機(jī)均采用當(dāng)時(shí)的最新技術(shù)，并對(duì)先前的設(shè)計(jì)進(jìn)行大幅改進(jìn)。該系列的發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)由5級(jí)增加到8級(jí)，并大幅改善了其熱效率。2008年7月，PW公司將當(dāng)時(shí)研發(fā)的機(jī)型定名為PW100，并且成功投放市場(chǎng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比為12：1，推力在15000~30000bf范圍內(nèi)，風(fēng)扇直徑范圍為56~81in（依據(jù)推力等級(jí)而定）。在技術(shù)方面，該發(fā)動(dòng)機(jī)僅需要3級(jí)低壓渦輪，這一技術(shù)改良減少了1500個(gè)零件，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了輕量化，并降低了相應(yīng)的維修成本。高壓壓氣機(jī)的每一旋轉(zhuǎn)級(jí)都均配裝有整體葉盤(pán)。燃燒室襯層可單獨(dú)自由膨脹和收縮。其燃燒過(guò)程是在精確控制下進(jìn)行的富油燃燒/快速淬熄/貧油燃燒（RQL）循環(huán)。該項(xiàng)技術(shù)是長(zhǎng)期研究努力的結(jié)果，其能對(duì)火焰進(jìn)行有效控制，在循環(huán)的富油燃燒部分盡可能地接近理論配比極限，然后進(jìn)行快速淬熄并轉(zhuǎn)入貧油燃燒過(guò)程，以此降低氮氧化物（NOx）生成量。NOx的生成量很大程度上取決于火焰溫度，此項(xiàng)設(shè)計(jì)降低了初級(jí)燃燒區(qū)的平均溫度，從而減少NOx的排放。由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是低壓渦輪轉(zhuǎn)速的1/3，因此噪聲降低達(dá)15dB，同時(shí)經(jīng)驗(yàn)證，該機(jī)型燃油消耗率比現(xiàn)有常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)降低達(dá)12%。而更受關(guān)注的技術(shù)創(chuàng)新是采用了可變面積的風(fēng)扇排氣口。在起飛狀態(tài)下使風(fēng)扇排氣口完全打開(kāi)，以獲得更大的推力；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為巡航狀態(tài)時(shí)，風(fēng)扇排氣口關(guān)閉達(dá)15%，以此增加發(fā)動(dòng)機(jī)壓力比，并降低燃油消耗率。但不可否認(rèn)的是，依然有高達(dá)數(shù)百馬力的功率不得不以熱量的形式被消耗。此外為達(dá)到高可靠性，必須從齒輪齒合面去散發(fā)此類(lèi)熱量，為此需要較為先進(jìn)的潤(rùn)滑油輸送和冷卻系統(tǒng)。毋庸置疑的是，散熱性能對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。2.3槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其發(fā)展。PW公司針對(duì)578DX驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)所用的先進(jìn)螺旋槳技術(shù)開(kāi)展了大量工作。主要技術(shù)進(jìn)步在于高速后掠、曲線螺旋槳槳葉，為此增加槳盤(pán)負(fù)載，同時(shí)盡可能降低功率損失。此類(lèi)使用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的航空發(fā)動(dòng)機(jī)被定名為“槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)”。部分文獻(xiàn)也稱(chēng)其為“開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)”。在PW公司研發(fā)578DX發(fā)動(dòng)機(jī)的同一時(shí)期，GE也投資于其自身的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，并生產(chǎn)出GE-36發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)于1986年在B727試驗(yàn)機(jī)上完成首飛。但需注意的是，該款發(fā)動(dòng)機(jī)屬于試驗(yàn)機(jī)型，并未正式投入使用。隨著20世紀(jì)80年代后期，石油價(jià)格回落等原因，GE對(duì)此項(xiàng)目逐漸失去了興趣，并終止了此項(xiàng)目。也許GE-36發(fā)動(dòng)機(jī)最值得關(guān)注的特點(diǎn)在于用來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇的方式。這一布局的機(jī)械設(shè)計(jì)非同尋常。由于其不使用齒輪箱，因此，渦輪必需使其轉(zhuǎn)速與螺旋槳匹配。而槳距控制機(jī)構(gòu)則需安裝在由旋轉(zhuǎn)“靜子”構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)筒周?chē)?78DX和GE-36這2款發(fā)動(dòng)機(jī)均可大幅節(jié)省燃油（約為30%）。然而，在該兩類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)正式投入商業(yè)應(yīng)用之前，需重點(diǎn)解決其噪聲問(wèn)題。后槳葉切割前槳葉的尾渦流是主要的噪聲源之一，而并未配裝發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流罩則加劇了該問(wèn)題的嚴(yán)重性。同樣，槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)能否在民用運(yùn)輸機(jī)上安裝，仍需解決槳葉失效風(fēng)險(xiǎn)等一系列問(wèn)題。盡管目前依然莫衷一是，尚無(wú)定論，但不可否認(rèn)的是，其研發(fā)成本無(wú)疑是巨大的。槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用的對(duì)轉(zhuǎn)布局意味著推進(jìn)器轉(zhuǎn)子每分鐘絕對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)的減速比可達(dá)2：1，其轉(zhuǎn)軸較短短且剛度較大。這種構(gòu)型為增大涵道比并因此而改變推進(jìn)效率提供了較高的技術(shù)靈活性。同時(shí)，需在傳統(tǒng)的核心發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面采用先進(jìn)技術(shù)，以增大熱效率。此外，風(fēng)扇罩將大幅改善噪聲問(wèn)題。值得注意的是，近年來(lái)，GE公司與NASA簽訂了一份涉及研究槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)議。按這份協(xié)議，將對(duì)原來(lái)驗(yàn)證項(xiàng)目中所使用的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行整修，并對(duì)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的未來(lái)發(fā)展?jié)摿M(jìn)進(jìn)一步的研究。

3結(jié)語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用于航空動(dòng)力裝置領(lǐng)域的技術(shù)水平目前已高度成熟，針對(duì)其的后續(xù)技術(shù)發(fā)展均有著不菲的研發(fā)成本。例如，對(duì)轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)需同時(shí)研究其獨(dú)有的渦輪和風(fēng)扇部件。同時(shí)仍需預(yù)先考慮此類(lèi)全新的技術(shù)產(chǎn)品在未來(lái)是否有足夠的市場(chǎng)前景，并據(jù)此可實(shí)現(xiàn)大范圍商業(yè)化推廣。盡管基礎(chǔ)性技術(shù)（如材料和制造）可借鑒軍用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，但就目前而言，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)與民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍存在著較大的差異。由于民用飛機(jī)市場(chǎng)可進(jìn)一步劃分為短途和長(zhǎng)途營(yíng)運(yùn)，并且對(duì)降低燃油成本的要求所帶來(lái)的壓力依然在不斷增大。隨著石油資源的不斷消耗，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出的節(jié)能要求可謂日益嚴(yán)苛，盡管以槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用前景目前有待進(jìn)一步確認(rèn)，但對(duì)以提升熱效率和推進(jìn)效率為重要研究方向的航空發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注程度已在逐步提升。

作者:伍賽特 單位:上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司