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    發動機:航空動力的關鍵技術

    發動機:航空動力的關鍵技術

    • 分類:新聞中心
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2020-04-10 13:02
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    【概要描述】

    發動機:航空動力的關鍵技術

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    • 發布時間:2020-04-10 13:02
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    性能優良可靠的航空發動機代表了工業技術的最高水平。毫不夸張地說,離開優秀的發動機,再優秀的飛機設計也只能存憾。
        超級計算機的貢獻現代航空發動機主要是渦扇,基本原理不復雜,但在高度優化的過程中,具體技術已經發展到非常復雜的程度,而惡魔總是在細節之中。

    典型渦扇發動機由風扇、高低壓壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪和噴口組成,民航常用的高涵道比渦扇實際上由風扇產生最大份額的推力,風扇推力與內涵道推力之比恰好就等于涵道比。理想渦槳的涵道比無窮大,內涵道的推力可以忽略不計。直升機用的渦軸則取消風扇,但噴口不產生推力,噴流驅動自由渦輪,轉換成軸功率,通過減速齒輪驅動旋翼。這些渦輪類發動機在原理上共用核心機,也就是包含高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪的部分。

    壓氣機在原理上好比電風扇。壓氣機對著管道吹風,需要可調的導流片和固定的靜子把螺旋形前進的氣流矯直,但氣流與導流片、靜子、機匣壁、轉軸的交互作用使得發動機內流動情況高度復雜。這還不光是一個三維的問題,時間也是一個因素。比如葉片轉速增加,導致流速提高,氣流旋轉速度也相應提高,但增加有一個過程,要過一段時間才穩定到新的穩態。另外,葉尖速度以聲速為極限,達到或者超過聲速要引起激波,不光對機匣和相鄰葉片造成嚴重敲擊,還嚴重影響壓氣效率。壓力波在空氣中以聲速傳遞,激波是空氣速度達到聲速后壓力波堆積造成的,密度極大提高,鋒面好比石墻一樣。在空氣流道里形成石墻,無疑要造成發動機窒息。實際葉尖速度以M0.92-0.95為極限。但聲速是隨空氣的溫度、密度變化的,壓氣機對空氣逐級壓縮,聲速實際上是逐步提高的。因此在發動機正常轉速下,壓氣機葉片的葉尖線速度超過了典型大氣條件下的聲速,就是這個道理。為了盡可能提高壓氣機的出力,每一級的葉片和靜子都要當前級的極限和壓縮要求分別分析、設計。

    通過高性能計算機的幫助,現在工程人員可以精確模擬出噴氣發動機燃燒室的工作情況。
     

    傳統上,這些復雜現象只有用風洞來觀察。但風洞試驗耗費很大,而且實驗和觀察條件有一定的限制,嚴重限制了發動機技術的發展。在只有計算尺的年代,發動機內部的流體力學計算只能在宏觀層面上進行,局部現象和邊界現象都無法有效處理。計算流體力學將整個系統劃分為無數細小的單元,每一個單元里建立動態的能量、質量、動量的動態平衡,計算溫度、壓力、密度、速度、流向分布,把所有的局部現象和邊界現象都考慮進去,使得高精度動態數字仿真成為可能。這相當于虛擬的風洞實驗,可以在調整設計的過程中一遍一遍地反復,實際觀察修改效果。這是非常有力的分析和設計工具,與計算機輔助制造系統連接起來,可以精密設計和制造每一片葉片、導流片、靜子,達到最優性能。

    燃燒室是另一個很有挑戰的設計問題。優秀的燃燒室設計不光提高出力和燃燒效率,還降低氮氧化物和二氧化碳的排放。但高溫條件下的復雜流動不容易用風洞觀察,動輒1 650攝氏度的工作條件,沒有觀察窗或者攝像頭能耐受這樣的高溫。燃油需要在噴入燃燒室的時候形成均勻細密的霧滴,空氣要在高速穩定的流動中與燃油霧滴均勻混合,點火要做到可靠、平滑,燃燒要穩定傳播。由于燃燒室的溫度高于耐熱合金的熔點,必須靠冷卻技術才能穩定持續地工作。冷卻空氣來自高壓壓氣機的引流,雖然也有幾百度的溫度,但比燃燒室的溫度低多了。燃燒室內盡管設計要求是均勻混合,均勻燃燒,但實際上還是有熱點、冷點,冷卻用來均衡這些溫度差別,使得燃燒室可以達到最大出力和最高效率,避免短板造成的性能損失。另一方面,冷卻氣流在流動和換熱過程中,逐步吸收熱量,逐步升溫,冷卻效果也逐步下降。因此,冷卻氣流溫度、流量、路徑、分布需要與燃燒室內的溫度分布緊密配合,才能保持壁溫均勻。

    燃燒室畢竟還是靜態部件,渦輪(尤其是高壓渦輪)不僅具有和燃燒室一樣的耐高溫要求,渦輪本身還在高速旋轉,可達15000轉/分。強大的離心力不僅對結構材質構成巨大的考驗,旋轉本身對冷卻設計的挑戰更大。渦輪葉片是空心的,但進氣在翼根,出氣在葉片表面。這些微孔的分布和方向很有講究,不僅要克服離心力把氣流“甩”向葉尖的自然傾向、保證內部氣流流場和溫度均勻分布,還要在葉片表面形成層流,達到最大的隔熱效果。氣流在物體表面的流動有層流和湍流之分,后者是紊亂的混合,傳熱快,但前者是“長幼有序”的分層平穩流動,層與層之間的換熱不好,形成隔熱效應。問題是,葉片表面受到高速旋轉和燃燒室的高溫燃氣沖刷的影響,流場高度復雜。葉片轉速和燃氣速度還隨發動機出力而變,通用電氣的LEAP發動機還根據工況自動調節冷卻氣流的流量,在低推力的時候降低冷卻氣流流量,改善油耗,這些因素都進一步增加了問題的復雜性。

    通用電氣的工程人員在為LEAP發動機安裝CMC部件。CMC不僅耐高溫性能更好,而且還讓每臺發動機減重18公斤。

     

    這一切都需要海量的流體力學計算。除了已經普遍使用的各種臺式高速電腦和工作站,中國已經成功地建造了若干世界最快的超級計算機,特別擅長復雜數值運算,在客觀上已經形成良好的條件。但計算流體力學還需要先進的軟件和使用經驗,單元劃分越細小,計算精度越高,但收斂也越困難,有很多技術訣竅。很多軟件是公開市場上可以買到的,很多數值方法訣竅也并不保密,但軟件使用需要豐富的經驗,什么時候用什么訣竅更需要經驗。
     

    各家法寶

    在材料技術上,一般認為傳統耐熱合金的潛力已經用盡,未來需要向陶瓷基復合材料(簡稱CMC)發展。陶瓷是已知材料中最耐高溫的,鍋爐的耐熱磚就屬于陶瓷類。但陶瓷易碎,在振動、高速高溫氣流沖刷的嚴苛條件下容易碎裂。CMC把陶瓷纖維與陶瓷基體結合起來,繼承了陶瓷耐高溫的優點,避免了易碎裂的缺點,是現代航空發動機材料方面的關鍵技術。通用電氣已經將CMC用于LEAP發動機的制造。

    另一方面,斯奈克瑪采用碳纖維3D編織的方法,大大提高碳纖維復材構件的剛度和強度。傳統碳纖維復材把平面編織的碳纖維布用基體樹脂層層粘結,層與層之間的強度取決于基體樹脂。3D編織組成有序的空間網格結構,然后固化,使得材料性能大幅度改善。

    普拉特-惠特尼的法寶則是齒輪減速渦扇,現在已經應用與PW1000G系列,成為空客A320NEO、俄羅斯MC-21等新一代客機的首選。普拉特·惠特尼還在PW1000G上采用了主動葉尖間隙控制。壓氣機或渦輪葉片與機匣的間隙既不能太小,這樣熱脹冷縮不一致時急劇增加磨損,甚至摩擦升溫導致起火,最壞可以導致葉片斷裂;也不能太大,這樣壓縮到下游的高壓空氣會從間隙里回流,不僅漏氣損失效率,還可能造成喘振。傳統設計只有增加喘振裕度,承受一點效率損失,間隙按最壞情況設計。主動間隙控制的好處顯而易見,問題在于如何做到。主動控制本來已經處于嚴苛工況的葉片長度是不可思議的,但對相應位置的機匣進行冷卻處理,可以反過來利用熱脹冷縮控制機匣收縮,主動控制機匣與葉尖的間隙,這正是普拉特·惠特尼的獨門絕技。

     

    最早的渦扇是單轉子的,不分高低壓壓氣機,也只有一個渦輪組,風扇直接連接在大軸上,與壓氣機相同轉速。由于風扇、高低壓壓縮的轉速要求互相牽制,單轉子渦扇很快發展成雙轉子,高低壓壓氣機和渦輪分開,高壓部分轉速更高,低壓部分轉速較低,風扇連接在低壓軸上,與低壓壓氣機具有相同轉速。雙轉子的熱效率大大提高,但理想低壓壓氣機的轉速還是比理想風扇更高,這也與低壓渦輪的有效轉速有關,渦輪轉速不能太低。風扇轉速更低的話,容許直徑更大,效率更高,但雙轉子難以做到。
        羅爾斯·羅伊斯將雙轉子發展為三轉子,在高低壓之間增加了中壓級,中壓渦輪驅動低壓壓氣機,低壓渦輪驅動風扇,進一步提高熱效率。但雙轉子的軸套軸已經很復雜了,三轉子的機械結構更復雜,發動機為此要付出可靠性和重量的代價。通用電氣和普拉特·惠特尼堅持雙轉子路線,深度優化,只有羅爾斯·羅伊斯采用三轉子。羅爾斯·羅伊斯的三轉子不僅用于民航發動機,也用于戰斗機發動機,如“狂風”的RB199。

    三轉子在實用中并沒有體現出比高度優化的雙轉子更優秀和油耗和減噪,但風扇速度降低的好處是明擺著的。普拉特·惠特尼采用齒輪減速,用雙轉子的結構達到三轉子的效果,甚至超過三轉子的效果,因為在風扇轉速較低的同時,低壓渦輪可以保證較高轉速,有利于渦輪的工作效率。這是民航發動機的一個飛躍。齒輪減速的概念并不復雜,上世紀70年代的加萊特TFE731就采用了齒輪減速,由于噪聲低,在公務機領域特別受歡迎。但高涵道比渦扇的推力主要來自風扇,因此對齒輪減速系統的要求特別高。行星齒輪的設計倒不是最大的問題,最大的問題在于滑油系統——要在離心力的作用下保證滑油的可靠三維流動、潤滑和冷卻,這是一個很有挑戰的計算流體力學問題。普拉特·惠特尼首先在大推力高涵道比渦扇上采用齒輪減速,這有可能成為未來民航發動機的典型技術。羅爾斯·羅伊斯也計劃放棄招牌三轉子技術,下一代Ultrafan系列上將采用齒輪減速。順便提一句,普拉特·惠特尼的齒輪減速也是F-35B所用的升力風扇齒輪驅動的基本技術。

     

    渦輪-電動混動發展

    這些還只是渦扇的深度發展,現代航空發動機有向渦輪-電動混動發展的趨勢。全電動汽車有電池重量的問題,全電動飛機的電池重量問題更大。但用渦輪發動機驅動發電機,用電動風扇或者螺旋槳產生推力,這在技術上的難度要小得多??雌饋磉@是舍近求遠,但實際不然。高涵道比風扇的推進效率高,但這是對發動機而言的,發動機吊艙周圍的機翼上下局部氣流現象限制了飛機-發動機系統的推進效率。理想的推行系統應該由大量小直徑風扇或者螺旋槳組成,遍布整個機翼和機體后體,形成均勻的推力分布。翼尖的風扇或者螺旋槳的旋轉方向還可以與翼尖渦流相反,主動對消翼尖渦流阻力,將其融化到推力中去。

    民航發動機是按照最大推力要求來確定的,而且要求在單發故障時,剩下的發動機依然能提供足夠的繼續起飛的推力。這對雙發是尤其嚴苛的要求。如果與電池技術相結合,渦輪-電動還可以大大降低渦輪發動機的功率要求,只要滿足巡航推力要求就夠用了,電池成為起飛和加速時的助推能源。這樣的混動系統有望大大降低巡航油耗。有意思的是,在汽車世界里,這已經成為現實,保時捷918就是在4.6升V8普通超跑發動機基礎上,增加電動助力,達到頂級超跑的性能。如果完全用內燃機實現,就需要布加迪“威龍”那樣的變態的8升W16發動機了,重量、油耗和成本都大大增加。

    分布式的電動推進風扇和螺旋槳還可以用于機體表面附面層抽吸。附面層是空氣粘性的結果,在機體表面形成呆滯的空氣層,形成等效的機體截面積增加,增加了迎風阻力。機體越長,附面層從前向后的堆積越嚴重。用風扇或者螺旋槳主動抽吸附面層,使得呆滯的空氣層流動起來,可以有效地降低附面層厚度,降低阻力。傳統渦輪發動機并非不能用于附面層抽吸,但電動風扇或者螺旋槳在工程實施方面有更大的優越性。
     

    三涵道和更科幻的發動機

    圖為X-57概念機的機翼,和傳統飛機相比,X-57的機翼上安裝了18具電動螺旋槳,在提供動力的同時也減小了飛行阻力。

    在軍用發動機方面,三涵道是最新趨勢。所謂三涵道,就是在傳統的內外涵道之外增加第三涵道,用于改變涵道比、輔助進氣道氣流管理、提供機載系統冷卻氣流和降低噴氣紅外特征。變涵道比是戰斗機發動機的理想境界,既有渦扇起飛推力大、亞聲速巡航省油的優點,又有渦噴超聲速加速和巡航阻力小的優點。在活門、導流片的控制下,第三涵道可以按需要控制旁通流量,有效改變涵道比,達到變涵道比的目的。

    三涵道對高亞聲速飛行沒有多少用處,對典型現代客機沒有多少用處。但三涵道解決了超聲速巡航的經濟性問題之后,如果音爆問題也能得到解決,超聲速民航時代有可能重來。NASA研究的新技術,對音爆造成的激波進行鈍化,甚至用不同激波互相干涉對消,在降噪方面取得了長足的進展。音爆也與飛機重量、尺寸有關,超聲速民航有可能在公務機或者小型客機上首先取得突破。

    超出傳統的渦輪發動機的話,脈動爆轟發動機(簡稱PDE)有點像四沖程汽油機用作噴氣發動機,當然沒有活塞,排氣直接產生推力。PDE的熱效率高于渦輪發動機,也不需要變涵道比這樣的復雜技術就可以適合更大的速度范圍。另一種新概念發動機是超燃沖壓,避免了傳統沖壓發動機只能把進氣減速到亞音速才能工作帶來的阻力,實現高超聲速飛行。將渦輪發動機、亞燃沖壓和超燃沖壓組合起來的組合發動機(簡稱TBCC)更是代表了實用化高超聲速飛行的未來。PDE、超燃沖壓和TBCC還比較科幻,但追逐未來技術并非好高騖遠,而是登上前沿的立腳點。

    本文來源:航空知識

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