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21世纪大飞机发动机的预研计划与关键技术

21世纪大飞机发动机的预研计划与关键技术

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  随着航空发动机技术的飞速发展、市场竞争的日益激烈和环保要求的不断严格,大飞机发动机向着费用更低、性能更高和环保特性更好的方向发展。为此,在改进发展GE90、PW4084、TRENT800等发动机和全新研制GP7200、TRENT900、GEnx和TRENT1000等发动机的同时,美国和欧盟国家独立和/或联合实施了一系列的预研计划,开发和验证了性能高、质量轻、可靠性高以及排放与噪声低的未来常规循环大飞机发动机技术,探索研究了更经济和环保的先进循环大飞机发动机技术,为未来大飞机发动机的研制打下了很好的技术基础。

  国外大飞机发动机技术研究计划的进展

  1 美国大飞机发动机技术研究计划
20世纪90年代,美国实施了经济、环保、节能发动机(5E)计划,高速研究机(HSR)计划和先进亚声速技术(AST)计划等一些大飞机发动机预研计划,开发和验证了大量的气动、燃烧、传热、结构和材料等先进技术。20世纪90年代末,美国又起动了UEET预研计划,开发和验证创新的、绿色的、经济的大飞机发动机技术。
  UEET计划始于1999年初,其总目标是采用NASA基础预研计划中大量的研究成果为新一代飞行器发动机提供先进部件与通用技术。具体目标是:与GE90发动机相比,燃油消耗降低10%,使用费用降低50%,噪声降低10dB,NOx排放降低20%。该计划主要有7个技术项目:推进系统一体化和评定;降低排放;高载荷涡轮机械;高性能发动机的材料和结构;推进系统/飞机一体化;推进系统控制;一体化的部件技术验证。
  2004年,美国调整了UEET计划FY2004~2007的工作重点。调整后为:通过开发确保性的智能发动机革新技术,研制环境友好的清洁燃烧的涡轮发动机,进而在大大降低有害排放与保持高的性能的同时达到明显提高可靠性的目的。在计划级,重点开发亚声速飞行器应用的低NOX燃烧技术、降低总燃油消耗率的技术和提高推重比的技术,开发超声速飞行器应用的高性能进口技术,开发旋转翼飞行器应用的先进驱动技术;在子计划级,开发低排放燃烧室技术、系统集成与验证技术、高负荷轻质量叶轮机技术、大升力旋转翼飞行器的先进驱动系统技术和智能发动机的基础技术。
  此外,在综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)和多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)这2个预研计划下,美国开发和验证了一些军民两用技术。前者的总目标是到21世纪初使航空涡轮发动机的能力较1988年的水平提高1倍,具体指标是推重比提高100%、耗油率降低30%以及成本减少35%。后者的目标是通过开发通用核心机、智能发动机和耐久性3大领域的关键技术,到2017年使航空涡轮发动机的经济可承受性较2000年的技术水平提高10倍,具体指标如推重比提高200%,耗油率(燃料成本)降低25%,研制、采办与全寿命维修成本降低60%。

  2 欧盟大飞机发动机技术研究计划
  20世纪90年代,欧盟国家已经实施了一些商用航空发动机预研计划,开发并验证了很多较为先进的技术,取得了明显的成效。
  2001年,欧盟航空研究咨询委员会(ACARE)战略研究局(SRA)确定了2020年大飞机的发展目标:相对2000年的技术水平,噪声降低50%;NOx排放降低80%;CO2排放降低50%;事故率降低80%;使用费用降低;投入市场时间缩短50%等。其中,发动机的发展目标为:相对2000年技术水平的发动机(如CFM56和TRENT700),耗油率降低20%;NOx排放降低80%;噪声降低10dB;事故率降低80%;使用费用降低;投入市场时间缩短50%。为此,欧盟国家不惜花费巨额资金,集中工作界与研究界的力量,分级(部件级、核心机级和发动机级)、分批(欧盟第5、6、7框架)地开展系统成套的大飞机发动机预研计划,探索并研究常规循环和先进循环大飞机发动机方案和关键部件技术。
  在第5框架,欧盟国家的航空发动机产官学机构联合制定并实施了旨在降低排放的高效和环境友好的航空发动机(EEFAE)预研计划(核心机级)、旨在大幅度降低飞机噪声对居民区影响(SILENCE)的预研计划(部件级)和旨在提高性能的多电飞机(POA)预研计划(发动机级),与美国合作制定并实施了TECH56和前沿航空推进(LEAP56)预研计划(发动机级)。

  在第6框架,继续制定并实施了旨在降低排放和噪声的环境友好的航空发动机(VITAL)预研计划(低压部件级),同时起动了旨在探索研究先进循环发动机的新型航空发动机方案(NEWAC)预研计划(核心机级)。目前,正在规划跨第6和第7框架的革新的发动机结构系统验证(“梦想”DREAM)(部件和发动机级)和清洁天空(CLEANSKY)预研计划,该预研计划是飞机级计划,包含可保持且绿色的发动机(SAGE)分预研计划(部件和发动机级)。表1汇总了上述一些典型预研计划的时间、投资、合作伙伴和研究目标。

  3 美国和法国合作的大飞机发动机技术研究计划
  (1)TECH56计划。1998~2003年,CFMI公司制定了旨在获取新技术的TECH56计划。其目标是:与1999年水平的CFM56发动机相比,拥有费用(Owner Cost)降低15%~25%,燃油消耗率降低4%~7%,维护费用降低15%~20%,NOx排放降低到低于国际民航组织规定水平的50%,噪声相对于FAR36第3阶段的水平降低20dB。
  该计划开发和验证了金属材料空心弯掠风扇叶片、新的高载荷高压压气机、低排放/低费用的双环腔贫油预混燃烧室、高载荷高压涡轮、对转低压涡轮和对转差动轴承、锯齿形喷管、冷却的全功能发动机数字控制器、低噪声喷气技术和风扇隔离器技术等。这些技术满足甚至超过了TECH56计划的预期目标,已经开始并将继续用于现役CFM56发动机的升级和新型发动机的研制。
  (2)LEAP56计划。在TECH56  计划之后,CFMI公司确定了CFM56发动机的未来发展方向,即总运行费用逐步降低;结构设计更加牢固;噪声明显降低;排放大大降低;循环参数实现最优;控制更加高效;系统集成性明显改善等。为此,CFMI公司启动了LEAP计划,为未来30年或更远的发动机开发和验证更先进的技术。
  其开发和验证的技术包括:铝、钛和复合材料风扇机匣等轻质结构,先进的复合材料风扇叶片,高效率且低油耗的高压压气机,双环形预旋流低排放燃烧室,涡轮3D设计,革新的发电装置设计等发动机基本设计技术;可靠且轻质的部件,低费用的外部硬件,先进轻质齿轮箱,下一代控制器等发动机系统部件设计技术。基本技术的部件验证试验于2007年开始,系统验证试验于之后的2~3年进行,而应用这些技术的CFM发动机最早于2013年投入使用。

  另外,在LEAP56预研计划的基础上,CFMI公司也提出了拉动式开式转子方案。该方案与GE公司的GE36 UDF发动机相似。对这些开式转子发动机,还要进行多年的研究和试验验证。预计到2015年左右才能进行飞行试验,2020年以后可能投入使用。

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