航空發動機效率提升技術研究

導語：航空發動機效率提升技術研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了航空發動機提升熱效率及推進效率的技術方案，進行了相關理論分析，并重點分析了以美國PW公司為例的實際機型研發過程，據此引入了槳扇發動機的技術概念。盡管以槳扇發動機為代表的先進航空發動機技術的應用前景目前有待進一步確認，但對以提升熱效率和推進效率為重要研究方向的航空發動機節能技術領域的關注程度已在逐步提升。

關鍵詞：航空發動機；熱效率；推進效率；節能；槳扇發動機；燃氣輪機；航空運輸

在過去的50年內，民用航空運輸已成為旅游出行的主要方式之一，并有著無可比擬的速度和效率[1]。作為飛機的動力來源，針對航空發動機的技術研究將長期延續下去，而該領域當前的重點研究目標是改進性能和成本。以渦輪噴氣發動機為代表的航空推進動力裝置源于戰爭時期的技術革新，并據此得到了相應的發展。早在20世紀50年代后期，民用飛機工業發展即已進入了全新的技術發展階段，渦輪風扇發動機也得以首次登場。早期的渦輪風扇發動機僅采用適度的涵道比，約為0.3~0.6，并且采用了雙轉子布局，同時也使其推重比和效率等參數得以不斷提高。與此相對，低涵道比發動機通常用于軍用飛機。就目前而言，民用飛機工業已逐漸進入寬體飛機時代，涵道比大于5：1的高涵道比渦輪風扇發動機逐漸受到了廣泛關注。

1航空發動機提升熱效率的技術方案

目前，仍在不斷改善航空發動機的燃油經濟性并降低排放。后者很大程度上影響到燃燒系統的總體設計，包括燃油噴嘴需以低溫燃燒的方式實現較高的燃燒效率，而此類設計亦會影響到發動機控制系統。部件效率的不斷改進，無疑會對整機熱效率起到一定的提升作用。在過去的數十年內，計算流體動力學（CFD）已經得到長足發展，并對該領域的技術優化起到重要影響作用?？梢灶A料到，在未來數十年內部件效率的改良趨勢將有所減緩?？傇鰤罕群蜏u輪進口溫度這2個參數是燃氣輪機工作循環的重要設計參數[2-4]。隨著壓氣機級數的不斷增多，必然會使得整機重量和復雜性隨之提升。盡管如此，航空發動機在熱效率方面的改善是有目共睹的。在過去20年內，隨著航空發動機的增壓比的不斷增大，新機型的壓氣機級數比一些舊款機型有所減少。迄今為止，對航空發動機熱效率進行改良的最有效措施是研制新的材料，可有效促進渦輪進口溫度的不斷提升。在過去的數十年間，美國軍方開展了綜合高性能渦輪發動機技術計劃（IHPTET）。其中一部分工作是致力于在高溫場合下優先采用陶瓷材料。應用陶瓷材料的技術難點在于其延展性較低，因此存在較高的風險。盡管如此，該技術所具有的優點對于非運動部件則有著較高的應用價值。此項技術于近年來已在軍用航空發動機葉片上進行了試驗驗證。通常認為，此項技術在若干年內不會考慮優先在民用航空發動機上應用。通常要求研制出的新型材料有利于減輕整機重量。同時，仍需控制渦輪進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量系統，同時，也需對燃燒過程進行更嚴格的控制。在此類新材料應用于民用航空發動機之前，仍有一系列工作需要開展。

2航空發動機提升推進效率的技術方案及實例分析

2.1航空發動機提升推進效率的技術方案。在下一個十年，預期商用飛機將以更高效的新一代產品來替代現有機型。因此，就經濟層面上而言，其制造成本、燃油經濟性、運營維護成本需比現有機型有所大幅改進。為支持這一目標，需要提供全新推進系統的相關設計方案。通過采用更高參數（氣體溫度和壓力）的發動機可直接改善熱效率及推進效率。航空發動機的推力F通過如下公式進行定義：F=w•(Vj-Va)（1）式中：w—發動機質量流量；Vj—噴氣速度；Va—飛機飛行速度。因此，對于某個特定的飛行速度，可以由高質量流量和低噴氣速度的發動機獲得與低質量流量和高噴氣速度的發動機相同的推力[5-6]。由于當噴氣流離開發動機后，余留在噴氣流中的動能無法起到推進作用，由此可知，采用低噴氣速度的高涵道比發動機具有更高的效率。實際上，推進效率η：η=2/(1+Vj/Va)（2）取其極限，當Vj=Va時，推進效率=100%。但事實上，在該工況點的推力為0。因此，該項結論表明，使Vj盡可能接近于Va是切合實際的。在設計中，如采用更高的質量流量和更低的噴氣速度，即意味著要求發動機有著更大徑向尺寸和更高的涵道比。高涵道比發動機的實際應用現狀是，其需要較低的風扇轉速，一方面需確保葉片應力處于可控范圍內，另一方面則應確保發動機葉尖線速度處于聲速或接近聲速的狀態。由于風扇通過低壓渦輪驅動，為此導致了發動機徑向尺寸的不斷增大，同時為達到較低轉速而使低壓渦輪級數較多。因此，自20世紀70年代以來，大多數渦輪風扇發動機的涵道比設定為5左右[7]。在過去的30年內，已經通過多種途徑來不斷提升航空發動機的推進效率，主要的技術創新如下：（1）低壓渦輪和風扇之間設置減速齒輪箱，以便在渦輪和風扇之間實現所必需的轉速匹配；（2）重新設計不帶定子的渦輪。每組葉片構成一級渦輪，與其相鄰一級進行反向轉動。上述第2項與傳統的設計相比，可渦輪轉速降低達一半，此類設計理念需采用兩級對轉風扇。而在進行“開式轉子”或“無涵道風扇”概念驗證期間，即已對該兩項概念開展過相應研究。早在20世紀70年代，為應對石油輸出國組織（OPEC）的石油禁運令，美國方面即已開始進行上述領域的研究。后期由PW公司（Pratt&WhitneyGroup）推出全新的發動機，該發動機采用了齒輪傳動風扇以及其他諸多改進技術[8]。2.2以美國PW公司實際機型研發過程為例的技術分析。早期的渦輪風扇發動機以大約5：1的涵道比進行運行。由于低壓渦輪和由低壓渦輪傳動的風扇之間存在轉速不匹配的情況，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扇轉速。在當時的設計中，風扇葉片的葉尖線速度已臻超聲速狀態，增加涵道比而不降低轉速意味著更大應力的存在，并且易于導致能量損失。同時，低壓渦輪較低的轉速同樣會導致效率下降。20世紀80年代，由PW公司研發的578DX型發動機，其設計方案是在發動機和復雜的對轉可變槳距槳扇之間使用一個齒輪箱。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。其具有渦輪風扇發動機所具備的飛行速度和推力，并具有先進渦輪螺旋槳飛機所具有的燃油經濟性。此發動機于1989年安裝在一架經改型的麥克唐納道格拉斯公司MD-80飛機上，完成其首次飛行。然而該款578DX發動機仍存在諸多技術問題，其較難以與飛機實現匹配，同時還包括噪聲、重量和可靠性等其他問題。從1998年開始，PW公司制造了一系列通過齒輪傳動的渦輪風扇發動機，每一款發動機均采用當時的最新技術，并對先前的設計進行大幅改進。該系列的發動機的高壓壓氣機由5級增加到8級，并大幅改善了其熱效率。2008年7月，PW公司將當時研發的機型定名為PW100，并且成功投放市場。該發動機的涵道比為12：1，推力在15000~30000bf范圍內，風扇直徑范圍為56~81in（依據推力等級而定）。在技術方面，該發動機僅需要3級低壓渦輪，這一技術改良減少了1500個零件，使發動機實現了輕量化，并降低了相應的維修成本。高壓壓氣機的每一旋轉級都均配裝有整體葉盤。燃燒室襯層可單獨自由膨脹和收縮。其燃燒過程是在精確控制下進行的富油燃燒/快速淬熄/貧油燃燒（RQL）循環。該項技術是長期研究努力的結果，其能對火焰進行有效控制，在循環的富油燃燒部分盡可能地接近理論配比極限，然后進行快速淬熄并轉入貧油燃燒過程，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，此項設計降低了初級燃燒區的平均溫度，從而減少NOx的排放。由于風扇轉速是低壓渦輪轉速的1/3，因此噪聲降低達15dB，同時經驗證，該機型燃油消耗率比現有常規發動機降低達12%。而更受關注的技術創新是采用了可變面積的風扇排氣口。在起飛狀態下使風扇排氣口完全打開，以獲得更大的推力；而當發動機轉為巡航狀態時，風扇排氣口關閉達15%，以此增加發動機壓力比，并降低燃油消耗率。但不可否認的是，依然有高達數百馬力的功率不得不以熱量的形式被消耗。此外為達到高可靠性，必須從齒輪齒合面去散發此類熱量，為此需要較為先進的潤滑油輸送和冷卻系統。毋庸置疑的是，散熱性能對航空發動機的可靠性是一項關鍵指標。2.3槳扇發動機技術及其發展。PW公司針對578DX驗證發動機所用的先進螺旋槳技術開展了大量工作。主要技術進步在于高速后掠、曲線螺旋槳槳葉，為此增加槳盤負載，同時盡可能降低功率損失。此類使用對轉螺旋槳的航空發動機被定名為“槳扇發動機”。部分文獻也稱其為“開式轉子發動機”。在PW公司研發578DX發動機的同一時期，GE也投資于其自身的槳扇發動機項目，并生產出GE-36發動機，同時于1986年在B727試驗機上完成首飛。但需注意的是，該款發動機屬于試驗機型，并未正式投入使用。隨著20世紀80年代后期，石油價格回落等原因，GE對此項目逐漸失去了興趣，并終止了此項目。也許GE-36發動機最值得關注的特點在于用來驅動對轉風扇的方式。這一布局的機械設計非同尋常。由于其不使用齒輪箱，因此，渦輪必需使其轉速與螺旋槳匹配。而槳距控制機構則需安裝在由旋轉“靜子”構成的旋轉筒周圍。578DX和GE-36這2款發動機均可大幅節省燃油（約為30%）。然而，在該兩類發動機正式投入商業應用之前，需重點解決其噪聲問題。后槳葉切割前槳葉的尾渦流是主要的噪聲源之一，而并未配裝發動機導流罩則加劇了該問題的嚴重性。同樣，槳扇發動機能否在民用運輸機上安裝，仍需解決槳葉失效風險等一系列問題。盡管目前依然莫衷一是，尚無定論，但不可否認的是，其研發成本無疑是巨大的。槳扇發動機采用的對轉布局意味著推進器轉子每分鐘絕對轉數的減速比可達2：1，其轉軸較短短且剛度較大。這種構型為增大涵道比并因此而改變推進效率提供了較高的技術靈活性。同時，需在傳統的核心發動機技術方面采用先進技術，以增大熱效率。此外，風扇罩將大幅改善噪聲問題。值得注意的是，近年來，GE公司與NASA簽訂了一份涉及研究槳扇發動機的協議。按這份協議，將對原來驗證項目中所使用的試驗臺架進行整修，并對槳扇發動機的未來發展潛力進進一步的研究。

3結語

燃氣輪機應用于航空動力裝置領域的技術水平目前已高度成熟，針對其的后續技術發展均有著不菲的研發成本。例如，對轉槳扇發動機需同時研究其獨有的渦輪和風扇部件。同時仍需預先考慮此類全新的技術產品在未來是否有足夠的市場前景，并據此可實現大范圍商業化推廣。盡管基礎性技術（如材料和制造）可借鑒軍用發動機領域，但就目前而言，軍用航空發動機與民用航空發動機仍存在著較大的差異。由于民用飛機市場可進一步劃分為短途和長途營運，并且對降低燃油成本的要求所帶來的壓力依然在不斷增大。隨著石油資源的不斷消耗，對航空發動機提出的節能要求可謂日益嚴苛，盡管以槳扇發動機為代表的先進航空發動機技術的應用前景目前有待進一步確認，但對以提升熱效率和推進效率為重要研究方向的航空發動機節能技術領域的關注程度已在逐步提升。

作者:伍賽特 單位:上海汽車集團股份有限公司