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用了這些技術(shù)，推重比15-20的先進發(fā)動機指日可待！

2016-07-19 12:33:22 作者：本網(wǎng)整理來源：航空制造網(wǎng) 分享至：

在大家心目中，誰是動物界的大力士？有人會說老虎、大象、牛，因為它們的戰(zhàn)斗力確實爆表；而小編的答案確是螞蟻。

圖 1 四兩撥千斤的螞蟻

雖然螞蟻是動物界的小動物，但如果稱一下螞蟻的體重和它所搬運物體的重量，就會覺得十分驚訝：它所舉起的重量，竟然超過自身體重的100倍！從這個層面上來說，螞蟻是大力士就合情合理了。

在航空發(fā)動機領(lǐng)域，小小的發(fā)動機要托起整架飛機的大重量，也是一個四兩撥千斤的例子。而衡量這個能力的指標之一就是發(fā)動機推重比，自然而然高推重比發(fā)動機成為研究熱點。那么設(shè)計和制造它又有哪些關(guān)鍵技術(shù)呢？

圖 2 航空發(fā)動機

1.基本概念

發(fā)動機推重比是指在標準大氣和靜止的條件下，飛機發(fā)動機在最大工作狀態(tài)時所產(chǎn)生的推力與其結(jié)構(gòu)重量的比值。它是衡量發(fā)動機性能的一個重要指標，也是衡量發(fā)動機設(shè)計、材料和加工工藝水平的綜合性能指標。推重比對飛機的飛行性能和有效載荷等都有直接影響。

圖 3 飛機推重比示意圖

現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的推重比約為3.5~4.5，加力渦輪噴氣發(fā)動機約為5~7，加力渦輪風扇發(fā)動機可達8以上，高性能的加力式渦輪風扇發(fā)動機的推重比可達12~15，用于垂直起落的升力發(fā)動機則高達16以上。

圖 4 中美航空發(fā)動機推重比對比

2.設(shè)計技術(shù)

1）風扇和壓氣機設(shè)計技術(shù)

在發(fā)動機風扇和壓氣機設(shè)計上，在保持高效率和足夠失速裕度的同時，要盡量實現(xiàn)用更少的級數(shù)達到更高的壓比。轉(zhuǎn)子葉片采用低展弦比設(shè)計，以達到更好的耐用性、更低的成本、更好的抗失速能力和更少的零件數(shù)；帶掠型的風扇葉片設(shè)計，能削弱葉片通道中的激波強度，綜合考慮葉片的參數(shù)選擇和整體性能設(shè)計，還能讓掠型提高整個葉片的效率。

圖 5 帶掠型發(fā)動機葉片

2）燃燒室設(shè)計技術(shù)

提高渦輪前溫度是先進發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢，采用多級旋流和氣動霧化技術(shù)，以滿足燃燒性能要求和擴大燃燒穩(wěn)定工作范圍；火焰筒頭部分級、分區(qū)供油，并組織燃燒，可保證燃燒室在高油氣比范圍內(nèi)可靠工作。

圖 6 多級旋流提高燃燒效率

圖 7 燃燒室中火焰筒示意圖

3）渦輪設(shè)計技術(shù)

采用超跨聲速、高負荷、低稠度、無導(dǎo)葉和大轉(zhuǎn)折角對轉(zhuǎn)渦輪，可使發(fā)動機性能得到大幅提高，同時質(zhì)量得到明顯減輕。具體表現(xiàn)為降低渦輪部件質(zhì)量、簡化渦輪結(jié)構(gòu)、材料利用更加充分、部件壽命更長，同時縮短了發(fā)動機軸向長度；另外如果同時采用先進的傳熱冷卻技術(shù)，可以允許進一步提高渦輪前溫度，從而提高發(fā)動機推重比；高低壓渦輪轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)，抵消了由于單向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺力矩；減少了內(nèi)流通道中可能引發(fā)氣動阻力的零件，充分利用流過葉片的氣體環(huán)量，增大葉片升力，獲得更高效率。

圖 8 對轉(zhuǎn)渦輪發(fā)動機示意圖

4）尾噴管設(shè)計技術(shù)

為了適應(yīng)高推重比發(fā)動機的使用，未來的行空發(fā)動機將采用由碳-碳輕質(zhì)材料加工的360°全方位偏轉(zhuǎn)矢量噴管。近年來，國外眾多研究機構(gòu)提出了利用流體注入來實現(xiàn)推力矢量的方法，即流體推力矢量（Fluid Thrust Vectoring, FTV）概念。其控制原理是利用二次流對主流的干擾形成需要的推力矢量。與機械式相比，流體推力矢量噴管結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低、反應(yīng)快、受力合理以及適應(yīng)范圍寬廣。

圖 9 航空發(fā)動機尾噴管

圖 10 流體推力矢量原理圖

3.關(guān)鍵制造技術(shù)

為了提高發(fā)動機的推力和推重比，必須減輕發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量，提高發(fā)動機的結(jié)構(gòu)效率和燃氣溫度。為此，除了改進發(fā)動機設(shè)計方法外，還必須發(fā)展先進制造技術(shù)，保證發(fā)動機的生產(chǎn)和加工滿足要求。

1）寬弦風扇葉片制造技術(shù)

例如F119和EJ200等發(fā)動機均采用寬弦風扇葉片。F119的3級風扇葉片均為寬弦葉片，寬弦無凸臺風扇葉片可有兩種選擇方案，即鈦合金風扇葉片和復(fù)合材料風扇葉片。F119用鈦合金毛坯經(jīng)切削加工成兩半葉片，用真空擴散焊接成一個整體空心平板葉身，然后在真空爐內(nèi)通過蠕變、彎扭初步成形，最后經(jīng)超塑成形至最終葉型。

圖 11 遄達900后掠式寬弦風扇葉片

圖 12 寬弦風扇葉片剖切照片

2）整體葉盤制造技術(shù)

推重比10發(fā)動機的壓氣機和渦輪采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，如F119和EJ200的風扇與壓氣機為鈦合金整體葉盤結(jié)構(gòu)，渦輪采用高溫合金整體葉盤結(jié)構(gòu)。有的F119壓氣機轉(zhuǎn)子也采用Alloy-C阻燃鈦合金整體葉盤，Alloy-C型鈦合金不但具有良好的阻燃性能，而且具有良好的高溫變形、冷軋、延展、焊接和鑄造性能。

圖 13 整體葉盤結(jié)構(gòu)

圖 14 Alloy-C合金組分

3）復(fù)合層板冷卻結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

多孔復(fù)合層板冷卻結(jié)構(gòu)是高推重比發(fā)動機采用的先進冷卻結(jié)構(gòu)，多用于燃燒室和渦輪葉片。它是將帶有復(fù)雜冷卻回路的Lamilloy多孔層板用擴散連接方法成形的冷卻結(jié)構(gòu)。多孔復(fù)合層板冷卻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵制造技術(shù)是復(fù)雜冷卻回路的計算機輔助設(shè)計和繪制、“照相-腐蝕”或“照相-電解”工藝，也可以用激光和電子束等特種工藝加工。

圖 15 發(fā)動機葉片多空冷卻結(jié)構(gòu)

圖 16 發(fā)動機燃燒室多孔冷卻結(jié)構(gòu)

4）浮壁式火焰筒制造技術(shù)

推重比10一級發(fā)動機渦輪前溫度達到1500-1700℃。F119采用的浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)是用多環(huán)段連接而成。環(huán)段背向火焰一面對流散熱的凸環(huán)，并有縫隙形成冷卻隔熱氣膜，隔熱環(huán)是由浮動片組成，并用螺栓連接在外環(huán)段上。浮動片用精密鑄造技術(shù)制成，而冷卻隔熱環(huán)局部噴涂熱障涂層，以降低部件表面溫度。

圖 17 浮壁式火焰筒發(fā)動機

圖 18 F119發(fā)動機

5）定向凝固和單晶精鑄

定向凝固和單晶精鑄技術(shù)已經(jīng)成為推重比10以上高性能發(fā)動機的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。目前使用中的單晶葉片是第二代空心無余量單晶葉片，即采用定向凝固經(jīng)時效處理加防護涂層的對開式空心超單晶葉片。國外主要發(fā)動機公司均已建立定向凝固和單晶渦輪葉片精鑄生產(chǎn)線，其葉片單面余量已穩(wěn)定在0.05-1mm，渦輪葉片合格率可達70%以上，導(dǎo)向葉片達90%以上。

圖 19 定向凝固技術(shù)原理圖

圖 20 單晶葉片生長過程數(shù)值模擬

6）熱障涂層技術(shù)

高推重比發(fā)動機結(jié)構(gòu)大量采用以熱障涂層技術(shù)為代表的先進涂層技術(shù)。熱端部件采用熱障涂層以提高結(jié)構(gòu)強度，其中有陶瓷涂層和多層隔熱層。渦輪工作葉片和導(dǎo)向器的隔熱涂層采用低壓等離子噴涂涂敷，也可以采用電子束物理氣相沉積涂敷。發(fā)動機冷端部件均采用封嚴涂層、耐磨和防腐蝕涂層。涂敷方法多采用等離子噴涂、火焰噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂和真空等離子噴涂等。

圖 21 發(fā)動機熱端的熱障涂層