北京動力機械研究所 焦華賓

北京空天技術研究所 莫 松

自從20世紀40年代初期出現(xiàn)燃氣渦輪以來，燃氣渦輪的發(fā)展取得了巨大成就。目前， 燃氣渦輪發(fā)動機占據(jù)航空動力的主導地位， 是知識密集、軍民兩用的高科技產品， 是國家科技工業(yè)水平和綜合國力的重要標志， 成為各大國大力發(fā)展、高度壟斷、嚴密封鎖的關鍵技術。經過半個多世紀的發(fā)展， 航空渦輪發(fā)動機技術取得巨大進步， 推動了飛行器和航空工業(yè)的蓬勃發(fā)展[1]。未來，隨著材料、制造等基礎工業(yè)的發(fā)展，航空渦輪發(fā)動機將迎來新一代的飛躍。

航空渦輪發(fā)動機發(fā)展現(xiàn)狀

燃氣渦輪發(fā)動機發(fā)明， 使航空工業(yè)發(fā)生了一場革命，飛機的速度、高度和機動性出現(xiàn)了歷史性飛躍，飛機從亞聲速跨入了超聲速飛行的新時代?？v觀航空渦輪發(fā)動機的發(fā)展歷程，軍用航空渦輪發(fā)動機技術的發(fā)展始終引領著先進航空發(fā)動機發(fā)展方向，自20世紀40年代初以來，軍用航空渦輪發(fā)動機已研制發(fā)展了四代并逐步向第五代跨越[2]。

·第一代: 以渦輪噴氣發(fā)動機為主， 20世紀 40～50年代研制，20世紀 50～60 年代獲得廣泛應用。表征發(fā)動機綜合性能指標的推重比約3～4。渦輪前燃氣溫度 1200～1300K，典型機種有J57、BK-1等。

·第二代: 主要是加力式渦輪噴氣發(fā)動機， 基本上是第一代的改型，還有少量渦輪風扇發(fā)動機，推重比5～6， 渦輪前燃氣溫度 1400～1550K，典型機種有 J79、TF30、SpeyMK202、M53-P2 和 P29-300 等。

·第三代: 主要是渦輪風扇發(fā)動機， 技術上有了很大進步， 推重比7～8， 渦輪前溫度 1600～1800K。從1973 年F100 （見圖1）發(fā)動機最先投入使用以來， 相繼又有美國的F404、F110、西歐的 RB199、法國的 M-88、前蘇聯(lián)的PД-33和AЛ-31φ投入使用， 成為第三代戰(zhàn)機的主要動力裝置等。

圖1 第三代軍用航空發(fā)動機：F100

·第四代: 從20世紀80 年代開始發(fā)展，是為滿足先進戰(zhàn)斗機的超聲速巡航能力、良好隱身能力、高亞聲速和超聲速機動能力、敏捷性、遠航程和短距起落能力、高可靠性、易可維修性、強生存力、低全壽命期費用而研制的。其性能特點為：推重比 9.0～10.0，涵道比 0.2～0.4，增壓比26～35，渦輪進口溫度 1800～2000K，耗油率降低了8%～10%，可靠性提高了1倍，耐久性提高了2倍。典型第四代軍用發(fā)動機F119（見圖2）、F120、EJ200、F135、F136、АL-41F等。

圖2 第四代軍用航空發(fā)動機：F119

·第五代： 21世紀初開始提出，與前四代發(fā)動機追求高推重比不同，第五代發(fā)動機將提升發(fā)動機推進效率與任務適應性為首要目標，目前仍處于研制當中。普惠公司借助美國空軍自適應發(fā)動機技術（AETD）發(fā)展項目正在進行第五代發(fā)動機的測試，通過變循環(huán)發(fā)動機關鍵技術的突破，其耗油率可降低30%，預計2016年其原理樣機將進行整機試車。

民用航空發(fā)動機歷經半個多世紀的發(fā)展，發(fā)動機結構形式由早期的離心式渦輪噴氣發(fā)動機到單轉子軸流式渦輪噴氣發(fā)動機，從雙轉子渦輪噴氣發(fā)動機到低涵道比渦輪風扇發(fā)動機，再到高涵道比渦輪風扇發(fā)動機，一直以來以更高的效率以及更高的可靠性為追求目標。隨著涵道比的增加與新技術的應用發(fā)動機耗油率也由最早的1.0kg/daN·h降低到0.3kg/daN·h[3]。

目前，民用航空發(fā)動機主要為大涵道比渦扇發(fā)動機，其最大推力已超過500kN，發(fā)動機總壓比超40，采用全權限數(shù)字控制(FADEC)，發(fā)動機可靠性顯著提升，空中停車率下降到每1000飛行小時0.002～0.005次，返修率僅為每1000飛行小時0.06～0.01次。同時，與早期的渦噴發(fā)動機相比，噪聲強度和污染物排放分別降低了75%和80%，發(fā)動機工作更加“環(huán)保”?，F(xiàn)役民用航空發(fā)動機主要有CFM56、PW6000 （見圖3）、GE90、Trent800 等[4]。

圖3 現(xiàn)役民用航空發(fā)動機：PW6000

并為進一步降低發(fā)動機耗油率、提升民用航空發(fā)動機的經濟性，一些新技術、新結構形式在民用航空發(fā)動機中得到了快速發(fā)展。例如普惠公司研發(fā)的齒輪傳動風扇發(fā)動機（GTF）、羅羅公司重新研發(fā)的槳扇發(fā)動機（也稱開式轉子發(fā)動機），與傳統(tǒng)民用航空渦扇發(fā)動機相比均可大幅降低油耗。目前該兩類發(fā)動機均已通過了整機測試，普惠公司的PW1100G（GTF）發(fā)動機將在A320NEO飛機上進行使用。

燃氣渦輪發(fā)動機先進技術

航空渦輪發(fā)動機能力的提升依賴于發(fā)動機技術的進步，先進航空發(fā)動機技術發(fā)展和驗證，為下一代航空發(fā)動機的發(fā)展奠定了堅實的技術基礎。

1 先進設計技術

未來，在不改變航空渦輪發(fā)動機循環(huán)方式的情況下，提升發(fā)動機循環(huán)效率和減輕發(fā)動機自身重量是提高發(fā)動機性能的主要方法。發(fā)動機性能的提升離不開先進的氣動設計與結構設計。

（1）氣動設計：氣動設計可使未來發(fā)動機單位推力和部件效率進一步提高，且通過減少葉輪機級數(shù)、燃燒室和噴管更緊湊及在可能情況下取消加力燃燒室等辦法來減輕質量。先進氣動設計主要包括：風扇/壓氣機葉片有粘、全三維氣動設計技術，燃燒室旋流燃燒技術，渦輪葉片有粘、全三維氣動設計技術，復合傾斜和端彎設計技術、先進的熱端傳熱分析和冷卻設計技術，360°全方位氣動矢量噴管設計技術等[5]。

（2）結構設計：先進的結構設計可減輕發(fā)動機質量，同時可充分發(fā)揮新材料的性能。先進的結構設計主要包括：空心風扇/壓氣機葉片結構設計、整體葉盤/葉環(huán)結構設計（見圖4）、刷式和氣膜封嚴結構設計、雙層壁火焰筒、對轉渦輪、雙輻板渦輪盤、磁性軸承、內裝式整體起動等結構設計[6]。

圖4 鈦合金整體葉盤及整體葉環(huán)結構示意圖

2 先進材料

新材料是航空渦輪發(fā)動機技術進步的重要基礎，是提高航空渦輪發(fā)動機推重比的主要突破口。據(jù)預測，在未來航空發(fā)動機性能的提高中，新材料貢獻率將達到50%以上。未來應用于航空發(fā)動機上的先進材料主要包括兩類[7]：

（1）輕型高比強度材料，包括鈦金屬基復合材料、樹脂基復合材料、TiAl金屬間化合物、Ti3Al合金等，這些材料的應用可以大幅減輕發(fā)動機的重量、提升風扇等轉子葉片強度及抗打擊能力，實現(xiàn)發(fā)動機推重比、工作可靠性的提升[8]；

（2）新型耐高溫材料，包括耐高溫合金材料、陶瓷基復合材料、碳-碳基復合材料等，新型耐高溫材料的應用可使渦輪前溫度提高至2000℃～2200℃，可大幅提升發(fā)動機單位推力，甚至未來可取消發(fā)動機加力燃燒室便可滿足發(fā)動機加速過程單位推力需求。

3 先進制造技術

為了提高發(fā)動機的可靠性和推力，未來，高性能發(fā)動機研制將采用大量新材料、新結構，對制造工藝的要求將進一步提高。先進制造技術的主要分為以下3類[9]：

（1）輕量化、整體化結構件制造技術：為實現(xiàn)減重增效，航空發(fā)動機零部件大都采用復雜曲面和高結構效率的整體、輕量化結構，這對制造工藝以及制造設備提出了更高的要求。輕量化、整體化結構件制造技術主要包括整體葉盤制造技術、整體葉環(huán)制造技術、大小葉片轉子制造技術、發(fā)動機機匣制造技術、寬弦風扇葉片制造技術、復合冷卻層板結構制造技術等[10]；

（2）新材料構件制造技術：未來高性能發(fā)動機擬采用很多種類的新材料和新材料構件，尤其是金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳 / 碳復合材料是當前高溫復合材料領域開發(fā)和應用研究的熱點。新材料構件制造技術的發(fā)展促進了新型材料在先進航空發(fā)動機中的應用。主要包括金屬基復合材料構件制造技術、陶瓷基復合材料構件制造技術、碳/碳復合材料構件制造技術；

（3）發(fā)動機制造新工藝：航空渦輪發(fā)動機結構復雜、加工精度高、新材料（高硬度、高強度）加工難度大，導致傳統(tǒng)制造工藝加工成本高或無法滿足加工要求。未來，新型制造工藝的應用將加速航空發(fā)動機的發(fā)展。其主要包括新型結構件精密制坯技術、先進切屑技術、特種加工技術、特種焊接技術（見圖5）、熱障涂層技術、3D打印技術、浮壁式火焰筒制造技術等。

圖5 特種焊接技術：整體葉盤線性摩擦焊主要工藝過程

4 先進控制技術

為了不斷滿足先進發(fā)動機發(fā)展的需求，未來控制系統(tǒng)的發(fā)展目標是提高性能、減輕重量，耐惡劣環(huán)境、提高可靠性和維護性，因此控制系統(tǒng)將向綜合化和智能化方向發(fā)展。先進航空發(fā)動機控制技術主要包括以下3類[11]：

（1）主動控制技術：主動控制技術可提高發(fā)動機的性能、耐久性和生存性，使高載荷的渦輪機械達到更高的推重比；提高高涵道比和部件效率，最后減少耗油率；主動控制技術還提供部件狀態(tài)的診斷/監(jiān)視信息，避免了失效，從而降低維修成本。主動控制包括主動穩(wěn)定控制、主動間隙控制、主動燃燒控制等；

（2）智能控制技術：智能控制是將人工智能的方法引進發(fā)動機控制系統(tǒng)，模擬人的智能活動進行控制與信息傳遞過程的控制規(guī)律，其核心是控制決策，采用靈活機動的方式迫使控制向期望的目標逼近。智能推進控制系統(tǒng)包括智能自修復控制技術、損傷自適應修復控制技術、延壽控制技術、自主推進系統(tǒng)技術等多個方面；

（3）分布式控制技術：未來控制系統(tǒng)將是高度分布式控制系統(tǒng)，它由FADEC和多個智能裝置組成，中央處理器和各智能傳感器、智能執(zhí)行機構組成了一個局域網(wǎng)。圖6是集中控制系統(tǒng)與分布式控制系統(tǒng)的結構對比。采用分布式控制系統(tǒng)可以使控制器體積減少，傳感器系統(tǒng)精度提高，獲取的系統(tǒng)信息更多，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化和標準化，從而減少設計、生產、裝配和試驗成本，減少發(fā)動機控制系統(tǒng)設計周期。

分布式控制系統(tǒng)關鍵技術主要包括分布式總線、智能傳感器、智能作動器、微電子機械、高溫電子技術等。

圖6 集中式控制與分布式控制結構對比

未來發(fā)展趨勢特點分析

基于作戰(zhàn)的需要，軍用飛機將具有更大的作戰(zhàn)半徑、更強的生存能力、更靈活的戰(zhàn)場適應性、更高的可靠性以及更低的全壽命周期成本等特點，這就要求其動力裝置繼續(xù)向著提高推重比、降低耗油率、改善可靠性、適用性、維修性和經濟性的方向發(fā)展。對于民用飛機發(fā)動機，還有環(huán)保等適航要求。通過綜合分析，未來航空渦輪發(fā)動機發(fā)展具有以下顯著特點[4，7，12]。

（1）性能與適用性、可維護性、可靠性/耐久性、經濟性等指標綜合提升。

未來，美國等航空技術先進國家在追求更高推重比的同時要求發(fā)動機耗油率不斷降低，以增加飛行器航程和作戰(zhàn)半徑，增強遠程打擊能力。另外，為保證機隊完好率和高的戰(zhàn)斗生存力，發(fā)動機的可靠性、維修性設計成為關鍵。因此，未來航空發(fā)動機的設計將改變單純追求高性能的做法，發(fā)動機適用性、成本、可靠性等綜合性能將成為衡量發(fā)動機先進性的重要指標。

（2）提高任務適應性。

未來航空發(fā)動機的使用將從傳統(tǒng)的最高20～30km以下空中飛行向臨近空間（60～70km高度）擴展，甚至實現(xiàn)跨大氣層飛行，而飛行速度也將由現(xiàn)在的亞聲速、超聲速向高超聲速躍進，由此將引發(fā)航空發(fā)動機技術的一場革命。為適應更為寬廣的工作包線，需要解決相關的各種新技術，包括發(fā)動機變循環(huán)技術、組合發(fā)動機技術、發(fā)動機預冷技術、先進熱管理技術等。

（3）增強環(huán)境適應性。

未來要求新一代發(fā)動機能在各種復雜自然環(huán)境和惡劣氣象條件下安全可靠工作，采用先進的光/機/電綜合控制系統(tǒng)，具有很強的抗進氣畸變、防冰、防雨、防雷電和高低溫工作能力。智能發(fā)動機主動控制系統(tǒng)和健康管理系統(tǒng)能夠依靠傳感器數(shù)據(jù)和專家模型全面了解發(fā)動機和/或部件的工作環(huán)境和發(fā)動機狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)動機性能和狀態(tài)的主動和自我管理，并根據(jù)環(huán)境因素平衡任務要求，提高發(fā)動機的性能、可操縱性和可靠性，延長發(fā)動機的壽命，降低發(fā)動機的使用與維修成本，可有效提高環(huán)境適應能力和生存力。

（4）發(fā)動機隱身性能。

就推進系統(tǒng)而言，隱身無疑是下一個重大的能力激勵器。戰(zhàn)斗機的進氣道和排氣裝置是雷達橫截面的主要信號源。未來，在推進系統(tǒng)設計中，除了要通過發(fā)動機、進氣道和排氣裝置高度一體化設計來減少工作時輻射的整體影響外，還必須將推進系統(tǒng)與整個飛機機體很好地一體化設計以減少信號輻射。發(fā)動機加力工作時，紅外信號將會急劇增加，未來在無加力狀態(tài)下如何獲得更高單位推力將成為未來隱身發(fā)動機發(fā)展的一個重要方向，新型耐高溫材料與變循環(huán)技術將成為該方向的主要關鍵技術。

（5）大幅提升經濟可承受性。

未來先進戰(zhàn)斗機高昂的采購價格決定了生產規(guī)模不可能太大，在需要發(fā)動機性能大幅提升的同時，還要求其全壽命周期成本要可擔負得起。美國通過IHPTET計劃技術研究，經濟可承受性達到基準發(fā)動機的3倍以上，通過VAATE計劃，經濟可承受性達到基準發(fā)動機的10倍。民機發(fā)動機除了提高性能，還要不斷降低全壽命周期成本。圍繞成本控制目標，采用多種措施提高發(fā)動機的經濟可承受性。比如，“一機多型”滿足了用戶的多種任務需要，降低了采購成本；開發(fā)通用技術，研制“通用核心機”，實現(xiàn)用途多元化，發(fā)展出將來使用的更高性能、更高耐久性和更低費用的軍用和民用發(fā)動機等。

（6）民用航空環(huán)保性要求。

環(huán)保性是大飛機發(fā)動機取得適航必須滿足的強制性要求。21 世紀初，GE90、PW4084、TRENT800、TRENT900、GP7200、BR710、CFM56等大涵道比民用渦扇發(fā)動機已經應用了大量的降低噪聲與降低排放技術，并收到了很好的環(huán)保效果。為了進一步改善環(huán)保特性，美國與歐盟國家還在通過實施一系列的技術研究計劃，開發(fā)更低排放、更低噪聲、更少有害物的技術，以研制在整個壽命期內對生態(tài)環(huán)境和與其有關人員的健康與安全都產生最小影響的發(fā)動機——“綠色”發(fā)動機。

結束語

航空渦輪發(fā)動機是集氣動、熱工、結構與強度、控制、測試、計算機、制造技術和材料等多種學科為一體的當代最精密的復雜機電產品之一，基礎學科的創(chuàng)新與先進技術的不斷突破，使航空渦輪發(fā)動機性能得到了不斷提升。未來在追求高性能的同時，發(fā)動機綜合性能的提升將成為設計者與用戶共同關注的焦點，并將成為未來先進航空渦輪發(fā)動機的重要發(fā)展方向。

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