渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)簡介

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)---渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)簡介—航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)；燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)——發(fā)動(dòng)機(jī)；渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)；渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)定義與概念：渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)---在單個(gè)流道內(nèi),渦輪出口燃?xì)庵苯釉趪姽苤信蛎?使燃?xì)饪捎媚芰哭D(zhuǎn)變?yōu)楦咚賴娏鞯膭?dòng)能而產(chǎn)生反作用力的發(fā)動(dòng)機(jī)稱渦噴發(fā)動(dòng)機(jī).渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)---核心機(jī)出口燃?xì)庠诘蛪簻u輪中進(jìn)一步膨脹做功,用于帶動(dòng)外涵風(fēng)扇，使外涵氣流的噴射速度增大，剩下的可用能量繼續(xù)在噴管中轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚賴娏鞯膭?dòng)能。國外概況：渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是軍用戰(zhàn)斗機(jī)/攻擊機(jī)、轟炸機(jī)、教練機(jī)和民用客機(jī)的主要?jiǎng)恿Α０雮€(gè)多世紀(jì)以來，渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高很大。服役中的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比從2提高到7-8，正在研制中的達(dá)9-10，并即將投入使用。民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力已超過40000daN，巡航耗油率從50年代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)1.0kg/(daN/h)下降到0.55kg/(daN/h)。在性能提高的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和耐久性也有很大改善。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車率一般為0.2-0.4/1000發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí)，民用發(fā)動(dòng)機(jī)為0.002-0.02/1000發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí)。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)熱端零件壽命為2000h,民用發(fā)動(dòng)機(jī)為20000-30000h。美國在80年代初組織有關(guān)專家對2000年航空技術(shù)預(yù)測的結(jié)果，認(rèn)為在氣動(dòng)熱力學(xué)、耐高溫輕重量材料和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制技術(shù)方面已取得的和將要取得的巨大進(jìn)步，為在保持已經(jīng)達(dá)到的可靠性和耐久性水平上大幅度提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。后來，美國空軍發(fā)起綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃?？哲?、海軍、陸軍、美國國防部預(yù)研局、NASA和七家主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都參與了這項(xiàng)計(jì)劃。計(jì)劃總的目標(biāo)是到2003年使航空推進(jìn)系統(tǒng)能力翻一番，即推重比或功率重量比增加100%-120%，耗油率下降30%-40%生產(chǎn)和維修成本降低35%-60%。為了同美國競爭，以英國為主，意大利和德國參與共同實(shí)施了先進(jìn)核心軍用發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃的第二階段（ACME-II）,英國和法國又聯(lián)合實(shí)施了先進(jìn)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（AMET）計(jì)劃。ACME-II的目標(biāo)是在2000年后不久驗(yàn)證推重比20、耗油率低30%、制造成本低30%和壽命期費(fèi)用低25%的技術(shù)，而AMET的目標(biāo)是到2001年驗(yàn)證推重比15的技術(shù)，并在以后幾年中提高到18。1、現(xiàn)役軍用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)自1973年美國普&惠公司研制成功首臺(tái)推重比8—級(jí)的F100發(fā)動(dòng)機(jī)以來，相繼又有美國通用電氣公司的F404和F110、西歐三國聯(lián)合研制的RB.199、法國的M53和原蘇聯(lián)的P從33和AH31-①投入使用。它們已成為現(xiàn)役一線戰(zhàn)斗機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置。除法國的M53為單轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)且推重比只有6.2外，其余均為雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，推重比為7.0-8.0。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃的持續(xù)實(shí)施并不斷獲得新技術(shù)成果。這些新技術(shù)既可用來改進(jìn)使用中的發(fā)動(dòng)機(jī)，又可構(gòu)成全新研制中的推重比9-10發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)，并不斷向更高的目標(biāo)--推重比20發(fā)展。預(yù)計(jì)，推重比15-20一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)將于2015-2020年期間研制成功，并將與第五代戰(zhàn)斗機(jī)配套投入使用。1）現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)改型為了滿足未來美國空軍多用途戰(zhàn)斗機(jī)（MRF）和海軍攻擊機(jī)以及原有F-15、F-16和F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)一步改型的需要，對F100、F110和F404發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施提高推力和推重比的改型工作。F100的改型為F100-PW-229A，已驗(yàn)證的推力高達(dá)16530daN，推重比9.5。F110的改型為F110-GE-129EFE,已經(jīng)驗(yàn)證的推力達(dá)16210daN，推重比為9.5。F404推力增大III型（后重新編號(hào)為F414-GE-400）。F414的推力為9680-10700daN，推重比為9.0-9.5。它的渦輪前溫度將提高167K,空氣流量增加10%,壓氣機(jī)和渦輪效率將提高2%。采用的新技術(shù)有風(fēng)扇和壓氣機(jī)整體葉盤結(jié)構(gòu)、多斜孔冷卻燃燒室、高功量高溫渦輪、軸對稱或二元矢量噴管和帶光纖控制部件的先進(jìn)全權(quán)數(shù)字電子控制（FADEC）等。其中許多技術(shù)是從通用電氣公司的YF120發(fā)動(dòng)機(jī)和綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃中得來的。F414的研制工作已經(jīng)完成，將在2000年裝在F-18E/F戰(zhàn)斗機(jī)上投入使用。2）全新研制的推重比9-10渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)從80年代中期起，發(fā)達(dá)國家開始為第四代戰(zhàn)斗機(jī)研制新一代的發(fā)動(dòng)機(jī)。但技術(shù)發(fā)展和驗(yàn)證以及系統(tǒng)要求的論證工作開始得更早。目前，第四代發(fā)動(dòng)機(jī)已處于工程和制造研制階段的后期，生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)已交付試飛，在本世紀(jì)末或下世紀(jì)初投入使用。它們是美國普&惠公司的F119、英國等西歐四國聯(lián)合研制的EJ200和法國的M88。俄羅斯也有研制水平相當(dāng)?shù)腁H-41中發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)劃，但由于缺乏資金，進(jìn)度會(huì)往后拖。3）21世紀(jì)戰(zhàn)斗機(jī)用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)A、推重比15-20的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)方案根據(jù)正在實(shí)施中的以IHPTET計(jì)劃為代表的預(yù)研工作進(jìn)展情況，預(yù)計(jì)在2015-2020年將有可能實(shí)現(xiàn)推重比15-20的戰(zhàn)斗機(jī)用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，這種常規(guī)的中等壓比戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)形與目前使用中的F100發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：a風(fēng)扇由3級(jí)減為1級(jí)，葉片帶彎掠，且為空心結(jié)構(gòu)。b壓氣機(jī)由9級(jí)減為3級(jí)。轉(zhuǎn)子為鼓筒式無盤結(jié)構(gòu)，由鈦基復(fù)合材料制成。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，可減輕重量達(dá)70%。c燃燒室火焰筒材料由耐熱合金改為陶瓷基復(fù)合材料。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)大大減小出口溫度分布系數(shù)。有可能實(shí)現(xiàn)變幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)出口溫度場主動(dòng)控制。d渦輪高、低壓渦輪均為單級(jí)，且為對轉(zhuǎn)。在仍采用金屬材料的條件下，整體葉盤結(jié)構(gòu)可減重30%。最終渦輪前溫度將高達(dá)2200K以上，此時(shí)將采用陶瓷基復(fù)合材料或碳-碳材料。e加力燃燒室由于渦輪進(jìn)口溫度很高，即使以下限2200K計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力也比F100高70%-80%，因而新發(fā)動(dòng)機(jī)很可能不采用加力燃燒室。f尾噴管將采用固定結(jié)構(gòu)的射流控制全方位矢量噴管。正在研究中的還有一種帶中間冷卻的偏置核心機(jī)方案，它適用于壓比為50-70的不帶加力作超音速巡航的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。B、超音速垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)目前，世界上只有兩種亞音速垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)在服役，一種是英國研制的"鷂"式戰(zhàn)斗機(jī)，另一種是前蘇聯(lián)研制的雅克-38。前者裝一臺(tái)有四個(gè)旋轉(zhuǎn)噴管的"飛馬"渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇出口氣流由前面兩噴管噴出，核心氣流由后面兩個(gè)噴管噴出。后者裝一臺(tái)推力為8000daN的AH-21不加力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)馔ㄟ^可轉(zhuǎn)向的噴管噴出，另有兩臺(tái)單臺(tái)推力為3500daN的P從-36-35升力發(fā)動(dòng)機(jī)提供升力。自60年代以來，對于超音速垂直/短距起落戰(zhàn)斗機(jī)動(dòng)力裝置的研究工作一直在進(jìn)行之中，但規(guī)模較小。近來，隨著美、英兩國政府發(fā)布聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）的概念驗(yàn)證招標(biāo)書，先進(jìn)短距起飛/垂直著陸飛機(jī)集中到洛克希德&馬丁公司方案和波音公司方案。這兩家公司都選用普&惠公司的F119-PW-100的改型為主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。洛克希德&馬丁公司的方案是主發(fā)動(dòng)機(jī)通過軸系驅(qū)動(dòng)置于座艙后的對轉(zhuǎn)升力風(fēng)扇，風(fēng)扇升力為8000daN，其噴管可向后60°，向前20°，向左和向右各8°偏轉(zhuǎn)。主發(fā)動(dòng)機(jī)噴管為軸對稱轉(zhuǎn)向噴管，用以提供附加升力。主發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇放氣通向置于機(jī)翼的操縱噴管，在低速時(shí)進(jìn)行橫滾操縱。波音公司的方案是主發(fā)動(dòng)機(jī)排氣通過設(shè)在機(jī)身中部的兩個(gè)可收放升力噴管產(chǎn)生升力。在前飛時(shí)，這兩個(gè)噴管收起并關(guān)閉，前面還有一個(gè)通壓氣機(jī)排氣的噴管，產(chǎn)生射流屏作配平控制和防止發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)入進(jìn)氣道用。主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝二元俯仰推力矢量噴管，在側(cè)向有兩個(gè)偏航控制噴管。機(jī)翼兩側(cè)還設(shè)有橫滾操縱噴管。通用電氣公司的F120發(fā)動(dòng)機(jī)被選為F119的替換發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)度比F119晚1年半。如果進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)JSF的批生產(chǎn)將于2008-2010年開始。2、運(yùn)輸機(jī)用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)展是過去40年中亞音速運(yùn)輸機(jī)性能改進(jìn)的主要因素。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于不斷提高渦輪進(jìn)口溫度、總壓比、涵道比，改進(jìn)風(fēng)扇和短艙性能，降低噪聲和污染，改善可靠性，而成為世界民用運(yùn)輸機(jī)的最主要?jiǎng)恿π问?，運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)耗油率已降低60%。1）現(xiàn)役和研制中的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力級(jí)很寬，下面將按20000daN以上，10000-20000daN和10000daN以下三類分別說明現(xiàn)役和研制中的發(fā)動(dòng)機(jī)。A、20000daN以上的發(fā)動(dòng)機(jī)自70年代初，第一代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)JT9D、CF6和RB211投入使用以來，開創(chuàng)了大型寬體噴氣客機(jī)的新時(shí)代，其耗油率比第一代民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)降低20%。其間，美國NASA實(shí)施了發(fā)動(dòng)機(jī)部件改進(jìn)（ECI）和節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)（EEE）計(jì)劃，目標(biāo)分別是降低耗油率5%和12%。在80年代初這些計(jì)劃完成時(shí)，其成果用于發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)改型和新型號(hào)研制，如普&惠公司研制PW4000以取代JT9D。90年代初，為滿足雙發(fā)遠(yuǎn)程寬體客機(jī)B777的需要，普&惠公司、羅&羅公司和通用電氣公司開始研制推力超過32000daN的PW8084、遄達(dá)800和GE90，前兩種為改型，GE90為全新設(shè)計(jì)。這三種發(fā)動(dòng)機(jī)于1995年先后裝在B777上投入使用。它們的技術(shù)特點(diǎn)有：采用高的循環(huán)參數(shù)，即涵道比、總增壓比和渦輪前溫度都較高；輕重量的寬弦無凸肩風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)其中GE90采用全復(fù)合材料；高效的全三維葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)；低污染的雙環(huán)腔燃燒室；帶主動(dòng)間隙控制的高、中、低壓渦輪；長壽命零件，如遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端零件壽命達(dá)40000-70000h，熱端達(dá)20000-40000h等。B、10000-20000daN的發(fā)動(dòng)機(jī)在70年代初期和中期，CFM國際公司（CFMI）和國際航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司QAE）為滿足新一代130-150座級(jí)客機(jī)的需要，先后開始研制CFM56和V2500渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，起始推力為11000daN，并先后于1979年和1988年取得適航證。其后，通過不斷改進(jìn)改型，提高性能,擴(kuò)大用途，推力提高到15000daN左右，可用于150-250座級(jí)的客機(jī)。此外，羅&羅公司和普&惠公司又分別研制RB211-535和PW2000系列發(fā)動(dòng)機(jī)，于1983年和1984年投入使用。它們的推力為16000-19000daN，主要用于B757客機(jī)。最近，普&惠公司開始研制PW8000齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為11000-16000daN,涵道比11,耗油率降低9%，使用費(fèi)用和維修費(fèi)用分別降低10%和30%。它將為21世紀(jì)初的120-180座級(jí)飛機(jī)提供動(dòng)力。C、10000daN以下的發(fā)動(dòng)機(jī)這里主要介紹用于新一代100-130座級(jí)干線客機(jī)的動(dòng)力裝置。目前，寶馬/羅&羅公司、CFM國際公司和普&惠公司正在研制6000-10000daN推力的BR715、CFM56-9和PW6000大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)可在本世紀(jì)末投入使用。2）21世紀(jì)的運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)A、亞音速運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)21世紀(jì)亞音速運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)將向兩個(gè)方向發(fā)展；一是采用超大涵道比循環(huán)，旨在提高推進(jìn)效率；二是高循環(huán)參數(shù)核心機(jī)，旨在提高熱效率。預(yù)計(jì)與90年代中期發(fā)動(dòng)機(jī)相比，到2005年投入使用的發(fā)動(dòng)機(jī)將使油耗降低15-20%,飛機(jī)直接使用成本（DOC）降低8-10%,而到2015年投入使用的發(fā)動(dòng)機(jī)將使油耗降低30%,DOC降低12-15%。鑒于總壓比高達(dá)50-100,NASA正在研究一種偏置核心機(jī)方案,以解決常規(guī)軸流壓氣機(jī)出口級(jí)葉片過短引起的問題,其基本概念與前述21世紀(jì)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的偏置核心機(jī)方案類似但無中間冷卻。B、超音速和高超音速運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)第二代超音速運(yùn)輸機(jī)將于2005-2008年投入使用。這將是M2.0-2.5的200-300座級(jí)的飛機(jī)。在研究中的動(dòng)力方案有渦輪旁路發(fā)動(dòng)機(jī)、混合流加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)以及混合流和變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。其循環(huán)參數(shù)為總壓比20-25,起飛時(shí)渦輪前溫度1870-1920K。推進(jìn)系統(tǒng)面臨的主要難題是價(jià)格、油耗、噪聲和污染物排放。遠(yuǎn)期高超音速運(yùn)輸機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)也正在研究之中。由日本政府主持,三家日本發(fā)動(dòng)機(jī)公司、世界上四家最大發(fā)動(dòng)機(jī)公司和四家日本國立實(shí)驗(yàn)室參加的高超音速運(yùn)輸機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)研究（HYPR）計(jì)劃已于1989年開始，為M5的高超音速飛機(jī)研究推進(jìn)技術(shù)。這是一種渦輪-沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)，前者工作到M3，后者在2.5-5的范圍內(nèi)工作。推力為4450daN的渦扇驗(yàn)證機(jī)已于1996年12月在通用電氣公司的高空模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)M數(shù)達(dá)2.5。渦輪-沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃于1998年試驗(yàn)。研究中的另一種高超音速推進(jìn)系統(tǒng)是超音速通流渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),這種在風(fēng)扇和壓氣機(jī)中氣流軸向速度均超音速的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行速度上限從M3提高到M5。目前，壓比為2.45的超音速通流風(fēng)扇已經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)，但要付諸實(shí)用還有許多工作要做。3、軍民用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用技術(shù) 氣動(dòng)熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的發(fā)展1）、氣動(dòng)熱力學(xué)A、內(nèi)流計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)流計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的主要任務(wù)是加深對推進(jìn)系統(tǒng)各部件內(nèi)的質(zhì)量、動(dòng)量和熱交換過程的理解并作出定量預(yù)估。這種研究包括物理模型、算法、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、編碼方法和圖解計(jì)算算法。作為一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)手段，內(nèi)流計(jì)算流體熱力學(xué)的發(fā)展將大大加速推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展步伐，節(jié)省發(fā)展費(fèi)用。計(jì)算流體力學(xué)已經(jīng)列入美國國防部關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃。目前，已經(jīng)能用三維粘性逼近法設(shè)計(jì)超音速和亞音速進(jìn)氣道。葉輪機(jī)的三維粘性流場的計(jì)算方法是內(nèi)流計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)。目前，已能用三維有粘流場計(jì)算方法進(jìn)行葉輪機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算。直到70年代，設(shè)計(jì)燃燒室?guī)缀跞?試湊"法。80年代在燃燒室內(nèi)過程的?；矫嬉呀?jīng)取得重要進(jìn)展。復(fù)雜的三維紊流兩相流動(dòng)和燃燒的計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)在不同程度上在燃燒室設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。到2000年，能夠進(jìn)行帶化學(xué)反應(yīng)和紊流模型的穩(wěn)態(tài)計(jì)算。隨著內(nèi)流計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)的工作量將逐漸減少，目前，常規(guī)民用發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)研制時(shí)間已從4-5年縮短到2--3年。B、壓氣機(jī)（風(fēng)扇）未來壓氣機(jī)（風(fēng)扇）設(shè)計(jì)是繼續(xù)提高流通能力、葉尖切線速度和平均級(jí)負(fù)荷。提高流通能力可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口直徑，從而有效地減小發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高推重比。其辦法是減小輪轂比（d）和提高氣流軸向馬赫數(shù)（Ma）。目前，風(fēng)扇設(shè)計(jì)中采用的d為0.34,Ma為0.631，下一步將分別變?yōu)?.31和0.65-0.67。提高葉尖切線速度和擴(kuò)散因子可以提高級(jí)壓比，從而減少給定總壓比條件下所需的級(jí)數(shù)并由此減少整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的長度和重量。通用電氣公司的節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)進(jìn)口葉尖切線速度分別為410m/s和450m/s，目前試驗(yàn)研究中的葉尖切線速度已達(dá)550-600m/s。通過三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)又可使擴(kuò)散因子提高0.07。高通流、高級(jí)壓比壓氣機(jī)要采用低展弦比彎掠葉片。目前，已驗(yàn)證的風(fēng)扇級(jí)壓比已達(dá)2.0-2.5，壓氣機(jī)級(jí)壓比達(dá)1.5-1.6。風(fēng)扇是民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，今后研究的方向有彎掠葉片、帶箍葉片和分隔式葉片。降噪、抗外物損傷和葉片包容能力也是大風(fēng)扇設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。C、燃燒室對于戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，總壓比今后將提高到50-70，燃燒室進(jìn)口溫度和壓力將大幅度提高，這將對燃燒室設(shè)計(jì)提出重大挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著燃燒室出口溫度的提高，燃燒室溫升從推重比8和10的800K和1100K逐步提高到1350-1450K。在氣動(dòng)熱力設(shè)計(jì)方面，目前已使用和正在研制的先進(jìn)燃燒室中，一種是帶雙旋流的空氣霧化噴嘴或帶旋流的預(yù)混噴嘴方案，其頭部強(qiáng)旋流氣流加強(qiáng)混合，以獲得高的燃燒效率和均勻的溫度分布，如F120的燃燒室就采用這種方案。F119發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室其燃燒區(qū)是具有三維高紊流度的強(qiáng)旋流結(jié)構(gòu)。另一種方案是采用蒸發(fā)管的頭部回流結(jié)構(gòu)，如EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)。正在研究中的一種多旋流器頭部方案，其頭部由三圈在周向錯(cuò)開排列的噴嘴和旋流器組成，除冷卻氣流外，全部氣流均由頭部進(jìn)入燃燒室。該方案的特點(diǎn)是長度短、出口溫度場均勻和所需冷卻空氣量小。在冷卻結(jié)構(gòu)和耐熱材料方面，浮壁和多斜孔冷卻結(jié)構(gòu)已趨成熟，用Lamilloy多孔層板制的火焰筒已經(jīng)過驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)。用陶瓷纖維或碳纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料和碳-碳復(fù)合材料正被試驗(yàn)用作火焰筒材料。減少排氣污染，特別是NOX排放量是民用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要研究目標(biāo)。目前，亞音速運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX排放指數(shù)為30g/kg燃油，采用雙環(huán)腔燃燒室后降低到20g/kg燃油，而且，NOX的排放隨著燃燒室內(nèi)壓力和溫度的升高而增加。這樣，未來亞音速和超音速運(yùn)輸機(jī)的NOX排放將達(dá)到30-40g/kg燃油。研究中的NOX排放指標(biāo)為3-8g/kg燃油，有希望的低污染燃燒室方案為貧油預(yù)混/預(yù)蒸發(fā)和富油燃燒/快速摻混/貧油燃燒。這種燃燒室將采取某種變幾何措施。D、渦輪推重比10發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度已達(dá)1850-1950K,且高、低壓渦輪均為單級(jí)。冷卻方案還是在常規(guī)金屬材料基礎(chǔ)上采用多通道強(qiáng)迫對流加氣膜的復(fù)合冷卻，外加隔熱涂層，總的隔熱效果可達(dá)500-600K。用Lamilloy材料制的"超級(jí)冷卻"渦輪葉片，在渦輪前溫度為1922K的條件下比常規(guī)冷卻結(jié)構(gòu)少用30%-40%冷卻空氣，帶這種葉片的整體葉盤已通過核心機(jī)試驗(yàn)，渦輪重量亦可減輕25%-30%。再進(jìn)一步提高溫度到2200K以上則需采用陶瓷復(fù)合材料或碳-碳復(fù)合材料。美國兩家公司已在發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)了碳-碳復(fù)合材料渦輪，溫度達(dá)1922K而無冷卻，重量只有鎳基合金的20%。為防止碳纖維在高溫下氧化，要采用防氧化涂層，但成本很高。民用發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉尖間隙主動(dòng)控制技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，并正在研究閉環(huán)的實(shí)時(shí)主動(dòng)間隙控制技術(shù)。2）、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度A、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別是隨著新型復(fù)合材料的應(yīng)用，新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有可能大幅度減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量和提高性能。在研制和研究中的主要有：a金屬基復(fù)合材料空心風(fēng)扇葉片用SCS-6纖維加強(qiáng)的鈦金屬基風(fēng)扇葉片已經(jīng)進(jìn)行了部件試驗(yàn)，證明其耐溫能力和抗外物損傷能力優(yōu)于目前的復(fù)合材料葉片。葉片采用超塑成形/擴(kuò)散連結(jié)工藝，重量可減輕14%。b整體葉盤在F119、EJ200和遄達(dá)800上，風(fēng)扇、壓氣機(jī)或渦輪將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，可減輕重量30%左右。風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉盤采用電化學(xué)加工和線性摩擦焊接工藝，渦輪葉盤則采用"鍛接"工藝。c無盤轉(zhuǎn)子（或稱整體葉環(huán)）主要用于壓縮系統(tǒng)。由于采用復(fù)合材料，葉片重量減輕，可以直接固定在承力環(huán)上，從而取消了輪盤，使重量減輕70%。一種4級(jí)壓氣機(jī)已經(jīng)在核心機(jī)上作了試驗(yàn)。其中第3和第4級(jí)為鈦合金基復(fù)合材料整體葉環(huán)，其重量只有常規(guī)鎳基合金轉(zhuǎn)子盤的20%。d刷子封嚴(yán)用金屬刷接觸式封嚴(yán)能使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣減少一個(gè)數(shù)量級(jí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高4%-6%。目前，EJ200和生產(chǎn)型F119以及民用發(fā)動(dòng)機(jī)PW4084和GE90都采用這種封嚴(yán)方式。e骨架式結(jié)構(gòu)它是一種采用金屬基復(fù)合材料、具有很高比剛度和比強(qiáng)度的主傳力路線結(jié)構(gòu)，能大大提高結(jié)構(gòu)效率。除因采用先進(jìn)材料使零部件重量減輕外，還可以通過減小振動(dòng)和變形提高性能。用金屬基復(fù)合材料制的風(fēng)扇外涵機(jī)匣、主軸和一些承力靜止結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了初步試驗(yàn)。B、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究主要包括結(jié)構(gòu)力學(xué)和氣動(dòng)彈性力學(xué)。目前的研究方向有概率分析和設(shè)計(jì)、非線性材料性質(zhì)、符號(hào)邏輯、復(fù)合材料微觀機(jī)理、氣動(dòng)彈性、復(fù)合材料的疲勞與斷裂壽命預(yù)估和非破壞鑒定。下面介紹幾個(gè)有代表性的研究項(xiàng)目。a概率分析法研究表明，在隨機(jī)負(fù)荷下的概率分析方法比確定性的方法更為可靠，并已廣泛應(yīng)用于隨機(jī)振動(dòng)條件下的疲勞、斷裂和可靠性分析。概率分析法將載荷、部件幾何、材料性質(zhì)和環(huán)境條件的統(tǒng)計(jì)變化綜合應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評估。而確定性的方法只提供一個(gè)平均值或中間值，不能復(fù)蓋所有的變化范圍。其結(jié)果是，即使采用一個(gè)安全系數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)度也可能不在可接受的限度內(nèi)。目前，正將此種概率分析法應(yīng)用于全尺寸結(jié)構(gòu)件，如渦輪葉片和輪盤。b結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在氣動(dòng)彈性方面，正用分析和實(shí)驗(yàn)的方法確定推進(jìn)系統(tǒng)的性能極限。