■ 呂二立 周亞峰 張軻 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所 趙勇 / 中國(guó)航發(fā)燃機(jī)

輕型燃?xì)廨啓C(jī)航改化或重型燃?xì)廨啓C(jī)移植航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，不僅是燃?xì)廨啓C(jī)的研制捷徑，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)回收投資、取得更大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的有效途徑。

受政治、軍事和經(jīng)濟(jì)等方面因素的影響，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展要快于燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)存在大范圍的技術(shù)共性，在設(shè)計(jì)體系、制造體系、人才體系和試驗(yàn)體系等方面可實(shí)現(xiàn)共用共享，因此基于燃?xì)廨啓C(jī)巨大的市場(chǎng)需求、明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，依托高性能、成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)、設(shè)計(jì)方法發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)已成為業(yè)界共識(shí)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)向燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)移有兩種方式，如圖1所示：一是直接將成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型衍生，形成航改燃?xì)廨啓C(jī)；二是將航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)向重型燃?xì)廨啓C(jī)移植，研制和開(kāi)發(fā)新一代重型燃?xì)廨啓C(jī)。

航改燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展歷程

伴隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展和先進(jìn)循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，航改燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)發(fā)展歷程經(jīng)歷了技術(shù)探索階段、技術(shù)發(fā)展階段和應(yīng)用先進(jìn)循環(huán)階段，實(shí)現(xiàn)了航改燃?xì)廨啓C(jī)從簡(jiǎn)單改型到高性能核心機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從簡(jiǎn)單循環(huán)到復(fù)雜循環(huán)的應(yīng)用，從繼承航空發(fā)動(dòng)機(jī)成熟設(shè)計(jì)體系、材料體系到新部件的設(shè)計(jì)、新材料的應(yīng)用，使得航改燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)水平、使用性能、可靠性和壽命都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

技術(shù)探索階段

1943 年，世界上首臺(tái)航改燃?xì)廨啓C(jī)研制成功，之后羅羅、GE 和普惠公司依據(jù)成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型設(shè)計(jì)了首批航改燃?xì)廨啓C(jī)，典型的有工業(yè)用埃汶（Avon）、工業(yè)用奧林帕斯（Olympus）、斯貝（Spey）燃?xì)廨啓C(jī)、LM1500 和FT4 等。 在此階段，航改燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)處于探索時(shí)期，結(jié)構(gòu)上直接繼承航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)，通過(guò)配裝合適的動(dòng)力渦輪達(dá)到輸出功率的目的；整機(jī)性能也不高，循環(huán)效率一般都小于30%；渦輪前初溫小于1000℃，壓比為4 ～10；壓氣機(jī)一般還都是亞聲速；渦輪葉片采用簡(jiǎn)單的空冷技術(shù)；材料采用初期高溫合金；控制系統(tǒng)普遍采用機(jī)械液壓式或模擬式電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

技術(shù)發(fā)展階段

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟應(yīng)用，為航改燃?xì)廨啓C(jī)的快速發(fā)展提供了高性能、高可靠性的母型機(jī)和先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。同時(shí)，英、美等國(guó)海軍對(duì)先進(jìn)航改燃?xì)廨啓C(jī)的需求也提供了廣闊的應(yīng)用舞臺(tái)，使航改燃?xì)廨啓C(jī)獲得快速發(fā)展、性能顯著提升，推出了一系列性能良好、可靠性高的航改燃?xì)廨啓C(jī)。如LM2500系列、工業(yè)用遄達(dá)（Trent）、FT4000和MT30等，在艦船動(dòng)力、發(fā)電等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

技術(shù)發(fā)展階段的航改燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件普遍采用超級(jí)合金和保護(hù)涂層以提高耐溫能力，應(yīng)用先進(jìn)的空冷技術(shù)、低污染燃燒技術(shù)；渦輪前初溫達(dá)到1400℃，功率可達(dá)40 ～50MW，單機(jī)熱效率超過(guò)40%，聯(lián)合循環(huán)效率可達(dá)60%；采用數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，控制精度和控制性能獲得明顯提升。

應(yīng)用先進(jìn)循環(huán)

隨著對(duì)航改燃?xì)廨啓C(jī)高性能尤其是耗油率、輸出功率等指標(biāo)的要求提高，先進(jìn)循環(huán)航改燃?xì)廨啓C(jī)獲得了廣泛的工程實(shí)踐。在燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的基礎(chǔ)上增加中間冷卻或間冷回?zé)嵫h(huán)，可使航改燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率及低工況性能均獲得顯著提升，如LMS100間冷燃?xì)廨啓C(jī)功率等級(jí)達(dá)到100MW、效率高達(dá)46%，WR21間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)低工況熱效率大大高于簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，作為艦船動(dòng)力，大大提高了艦船的經(jīng)濟(jì)性和作戰(zhàn)半徑。

采用間冷或間冷回?zé)嵫h(huán)的先進(jìn)循環(huán)航改燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率大幅提升、全工況熱效率獲得改善，如功率等級(jí)可達(dá)到100MW，設(shè)計(jì)點(diǎn)熱效率高達(dá)46%；低工況性能顯著提升，50%負(fù)載下熱效率可達(dá)40%；間冷使得高壓壓氣機(jī)比功降低，整機(jī)設(shè)計(jì)壓比可達(dá)到40以上。

技術(shù)發(fā)展模式

縱觀發(fā)展歷程，航改燃?xì)廨啓C(jī)具有譜系化發(fā)展、系列化發(fā)展、采用先進(jìn)循環(huán)技術(shù)和應(yīng)用聯(lián)合循環(huán)模式等技術(shù)發(fā)展模式。

譜系化發(fā)展

譜系化發(fā)展是在同一航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上衍生發(fā)展出不同類型和不同功率級(jí)別的燃?xì)廨啓C(jī)，充分體現(xiàn)出航改燃?xì)廨啓C(jī)“一機(jī)為本、滿足多用、節(jié)省周期、降低成本、衍生多型、形成譜系”的特點(diǎn)。

以CF6-80C2航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，LM6000燃?xì)廨啓C(jī)直接利用CF6-80C2的核心機(jī)，并保持低壓渦輪的最大通用性；LMS100繼承CF6-80C2的核心機(jī)技術(shù)，結(jié)合F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)及中間冷卻技術(shù)，功率達(dá)到100MW；MS9001G/H全面采用CF6-80C2航空發(fā)動(dòng)機(jī)成熟技術(shù)，通過(guò)與重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)相結(jié)合，渦輪前溫度由F級(jí)的1287℃提高到1430℃，功率達(dá)到282MW。三型燃?xì)廨啓C(jī)的成功開(kāi)發(fā)使得CF6-80C2航空發(fā)動(dòng)機(jī)的航改化發(fā)展實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多型，發(fā)展不同類型和不同功率的燃?xì)廨啓C(jī)”。

系列化發(fā)展

系列化發(fā)展是在一型成功的燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上不斷地升級(jí)改進(jìn)、提高性能和降低排放，實(shí)現(xiàn)航改燃?xì)廨啓C(jī)的系列化發(fā)展，其中以LM2500系列最為典型，如圖2所示。LM2500燃?xì)廨啓C(jī)沿用母型機(jī)TF39/CF6-6的核心機(jī)，并將母型機(jī)的低壓渦輪改為動(dòng)力渦輪；LM2500+燃機(jī)是在LM2500燃機(jī)的壓氣機(jī)前增加1級(jí)，從而使空氣質(zhì)量流量和輸出功率獲得提高；LM2500+G4是在LM2500+的基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)壓氣機(jī)葉片葉型、增大渦輪喉道面積等措施增大燃機(jī)空氣流量，以達(dá)到持續(xù)提升輸出功率的目的。隨著LM2500系列化發(fā)展，產(chǎn)品持續(xù)升級(jí)改進(jìn)，功率范圍覆蓋20 ～35MW，全球裝備數(shù)量超過(guò)1000臺(tái)，是迄今為止應(yīng)用最廣泛的機(jī)型。

圖2 LM2500燃?xì)廨啓C(jī)的系列化發(fā)展

由于研制和生產(chǎn)難度大，以成功燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)的不斷升級(jí)改進(jìn)、提高性能和降低排放的系列化發(fā)展是航改燃?xì)廨啓C(jī)重要的技術(shù)發(fā)展模式。航改燃?xì)廨啓C(jī)的系列化發(fā)展和譜系化發(fā)展類似，既可縮短研制周期，還可保證較好的可靠性、先進(jìn)性，大幅降低設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)和制造成本。

采用先進(jìn)循環(huán)技術(shù)

航改燃?xì)廨啓C(jī)采用間冷和間冷回?zé)峒夹g(shù)，通過(guò)在高、低壓壓氣機(jī)之間引入間冷器、在排氣裝置出口引入回?zé)崞鞯?，達(dá)到大幅提升額定功率及全工況熱效率的目的。例如，LMS100燃?xì)廨啓C(jī)充分運(yùn)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，采用間冷循環(huán)，輸出功率為100 MW，熱效率高達(dá)46%，是迄今為止性能最好的產(chǎn)品；WR-21燃?xì)廨啓C(jī)以RB211發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，采用間冷回?zé)?，輸出功?1624kW，熱效率為42%，成為英國(guó)45型驅(qū)逐艦的主動(dòng)力。

應(yīng)用聯(lián)合循環(huán)模式

由于燃?xì)廨啓C(jī)的排氣仍具有較高品位的能量，通過(guò)應(yīng)用聯(lián)合循環(huán)模式，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的梯度利用，燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽聯(lián)合循環(huán)已在世界電力工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，以大功率的航改燃?xì)廨啓C(jī)或航改重型燃?xì)廨啓C(jī)為核心，單機(jī)功率可超過(guò)100MW，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)綜合能源利用效率在70%以上，由于燃?xì)廨啓C(jī)的燃料適應(yīng)性強(qiáng)，聯(lián)合循環(huán)的燃料類型還可實(shí)現(xiàn)多樣化，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

航改燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)發(fā)展將繼續(xù)基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)，圍繞著更高功率、更高熱效率、更低污染排放、更高的可靠性和長(zhǎng)壽命等方面展開(kāi)，朝著高效化、低碳化、新質(zhì)化和數(shù)智化的方向發(fā)展。

高效化

高效化的目標(biāo)是不斷提高整機(jī)性能，尤其是整機(jī)輸出功率和全工況熱效率等，主要的方式有以下幾個(gè)方面。

一是應(yīng)用先進(jìn)循環(huán)。應(yīng)用先進(jìn)循環(huán)可以不斷提高航改燃?xì)廨啓C(jī)性能，如再熱循環(huán)、蒸汽回注循環(huán)、化學(xué)回?zé)嵫h(huán)、濕空氣循環(huán)、串聯(lián)濕空氣先進(jìn)渦輪循環(huán)和卡利那（Kalina）循環(huán)等。應(yīng)用先進(jìn)循環(huán)后，不僅航改燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)的性能得到改善，整個(gè)機(jī)組的功率和熱效率也會(huì)得到明顯提高，氮氧化物排放顯著降低。

二是高效化部件設(shè)計(jì)。高效化部件設(shè)計(jì)集中在高效化壓氣機(jī)設(shè)計(jì)和高效化渦輪設(shè)計(jì)，高效化壓氣機(jī)設(shè)計(jì)將持續(xù)攻克壓氣機(jī)面臨的高轉(zhuǎn)速高效率和低轉(zhuǎn)速高喘振邊界的技術(shù)難題，如圖3所示，渦輪的設(shè)計(jì)將繼續(xù)朝著高效率、耐高溫和長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展。

圖3 高效化壓氣機(jī)設(shè)計(jì)

三是高效化空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。高效化空氣系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向有開(kāi)發(fā)低泄漏、耐磨損的高效密封技術(shù)，如蜂窩密封、薄葉密封、刷式密封和組合式密封；提升空氣流動(dòng)性能的高效減阻設(shè)計(jì)技術(shù)，如去旋減阻設(shè)計(jì)、流動(dòng)高效可控設(shè)計(jì)；進(jìn)一步提高預(yù)旋效率的先進(jìn)預(yù)旋設(shè)計(jì)技術(shù)，如氣動(dòng)型預(yù)旋孔設(shè)計(jì)、葉柵型預(yù)旋孔設(shè)計(jì)；可提升空氣系統(tǒng)魯棒性、可靠性的不確定性量化分析方法等。

低碳化

低污染物排放技術(shù)，如貧油預(yù)混和催化燃燒等，可明顯降低氮氧化物排放，并能使燃燒更穩(wěn)定。高效率、低損失燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)可使燃燒室更加緊湊，具有更低的損失，還能帶來(lái)更寬的穩(wěn)定燃燒范圍、適應(yīng)更高的溫升、具有更長(zhǎng)的壽命。發(fā)展多種燃料燃燒技術(shù)可使氫燃料、生物質(zhì)燃料獲得普遍應(yīng)用，使用氫燃料可徹底解決排放污染問(wèn)題。

新質(zhì)化

隨著航改燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)更高渦輪前溫度、更長(zhǎng)使用壽命和更長(zhǎng)檢修周期的需求，材料的新質(zhì)化已成為航改燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

復(fù)合材料、新型耐腐蝕單晶合金、高溫鈦合金和高溫耐腐蝕熱障涂層等新材料的研制，以及單晶鑄造、增材制造等新工藝的應(yīng)用，可滿足航改燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)壽命、高可靠性需求，且能適應(yīng)高濕含鹽霧環(huán)境使用條件。

熱障涂層、耐高溫復(fù)合材料、單晶葉片壁厚高精度超聲測(cè)量、盲區(qū)射線檢測(cè)以及焊縫、焊接結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，蠕變/疲勞交互作用長(zhǎng)時(shí)測(cè)試技術(shù)、高溫疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值測(cè)試技術(shù)、缺口敏感性評(píng)價(jià)技術(shù)等新型的性能表征與測(cè)試技術(shù)，可精準(zhǔn)定位航改燃?xì)廨啓C(jī)的問(wèn)題區(qū)域、“把脈”燃?xì)廨啓C(jī)狀態(tài)，為燃?xì)廨啓C(jī)的維修和保障提供更快速、更高效的方案。

為適應(yīng)航改燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)要求，亟須聯(lián)合多專業(yè)和行業(yè)內(nèi)外力量建立航改燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)壽命材料數(shù)據(jù)庫(kù)，為航改燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)建立材料體系，提供堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

數(shù)智化

航改燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)智化發(fā)展趨勢(shì)將是數(shù)字化仿真技術(shù)、智能化控制技術(shù)和智能化健康管理技術(shù)的綜合發(fā)展和深度融合。

為提升航改燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)水平、節(jié)約試驗(yàn)成本、降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、提高全生命周期質(zhì)量，數(shù)字化仿真技術(shù)在航改燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。具有高效智能計(jì)算方法和更高仿真精度的穩(wěn)態(tài)及過(guò)渡態(tài)仿真，具備控制系統(tǒng)、電力負(fù)載、熱力系統(tǒng)、燃燒流動(dòng)等多專業(yè)系統(tǒng)仿真，可實(shí)現(xiàn)艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)、燃-蒸聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的全系統(tǒng)仿真，多維度聯(lián)合仿真及可實(shí)現(xiàn)智慧設(shè)計(jì)與運(yùn)維的數(shù)字孿生技術(shù)等將是今后數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展方向。

隨著航改燃?xì)廨啓C(jī)性能需求的不斷提高、先進(jìn)控制方法和復(fù)雜控制策略的應(yīng)用，集中式數(shù)字電子控制技術(shù)已逐漸不能適應(yīng)未來(lái)航改燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的需求。在數(shù)字控制技術(shù)、工業(yè)通信技術(shù)逐漸成熟的基礎(chǔ)上，航改燃?xì)廨啓C(jī)智能控制技術(shù)研究和工程應(yīng)用已經(jīng)興起。智能化控制技術(shù)將智能傳感器、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)分布式控制通訊總線與中央控制器相連，中央控制器完成先進(jìn)控制方法、復(fù)雜控制策略以及運(yùn)算機(jī)載自適應(yīng)模型等，如圖4所示。智能化控制技術(shù)的發(fā)展和實(shí)施可大幅減少人力，明顯提升軟件容錯(cuò)能力、故障識(shí)別與檢測(cè)能力，還可實(shí)現(xiàn)軟件自我完善和故障智能處理，將是航改燃?xì)廨啓C(jī)控制繼數(shù)控技術(shù)之后的又一次飛躍。

圖4 智能化控制系統(tǒng)

數(shù)智化發(fā)展的另一個(gè)主要方向是智能化健康管理技術(shù)，包括氣路性能監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、滑油監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、輔機(jī)附件在線監(jiān)視診斷技術(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)壽命管理技術(shù)等。隨著航改燃?xì)廨啓C(jī)的廣泛應(yīng)用、長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展，航改燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行維護(hù)將越來(lái)越依賴智能化健康管理技術(shù)，支撐航改燃?xì)廨啓C(jī)的壽命管理、故障和性能衰減分析及遠(yuǎn)程綜合決策，維修保障也將由定期維護(hù)向視情維修轉(zhuǎn)變。

結(jié)束語(yǔ)

航改燃?xì)廨啓C(jī)因其功率范圍廣、熱效率高、機(jī)動(dòng)性好、壽命長(zhǎng)和可靠性高，在艦船動(dòng)力、電力、機(jī)械傳輸、海上石油平臺(tái)、戰(zhàn)車動(dòng)力和分布式能源等方面得到大量應(yīng)用。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的日新月異和新設(shè)計(jì)、新技術(shù)的不斷應(yīng)用，航改燃?xì)廨啓C(jī)將朝著高效化、低碳化、新質(zhì)化和數(shù)智化的方向上快速發(fā)展，航改燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)也將獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，在經(jīng)濟(jì)性、低污染排放、可靠性和維修性等方面逐漸改善，應(yīng)用前景必然更加廣闊。