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21世紀的航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機技術(shù)

　據國外航空發(fā)動(dòng)機制造商預測，未來(lái)20年，航空發(fā)動(dòng)機市場(chǎng)將有較大增長(cháng)，達到平均每年3%的增長(cháng)速度，航空客運市場(chǎng)的增長(cháng)速度將超過(guò)5%。因此，蓬勃的航空市場(chǎng)將為航空發(fā)動(dòng)機制造商帶來(lái)新的發(fā)展機遇。然而，未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機的發(fā)展也將面臨新的挑戰。航空公司希望獲得效率更高的航空產(chǎn)品。要使飛機機隊的利用率達到最大，而不定期延誤率達到最小，發(fā)動(dòng)機必須具有很高的可靠性和可預測性。而且，航空運輸的不斷普及將對環(huán)境帶來(lái)不利的影響。因此，飛機和發(fā)動(dòng)機制造商必須努力開(kāi)發(fā)在噪聲和污染方面獲得大大改進(jìn)，并且滿(mǎn)足對污染和噪聲日益嚴格的規定的產(chǎn)品。

　　一、歐洲正在進(jìn)行新的航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機技術(shù)計劃

　　 目前，航空發(fā)動(dòng)機制造商都已將污染和噪聲問(wèn)題作為航空發(fā)動(dòng)機工業(yè)的首要問(wèn)題進(jìn)行研究，設計可滿(mǎn)足未來(lái)大型民用運輸機要求的推進(jìn)系統。英國羅·羅公司正在領(lǐng)導一個(gè)由歐洲8家伙伴參與的發(fā)動(dòng)機技術(shù)發(fā)展計劃，計劃的目的是設計一種比現有大型民用渦扇發(fā)動(dòng)機效率更高、污染更小并且生產(chǎn)和壽命期費用更低的航空發(fā)動(dòng)機。

　　 這項"經(jīng)濟可承受的近期低污染（ANTLE）"研究計劃是歐洲投資的"高效、環(huán)境友好的航空發(fā)動(dòng)機（EEFAE）"計劃的一部分。ANTLE計劃為期4年，目標是研制一種推力范圍在22241~48930拾牛（50000~110000磅）的航空發(fā)動(dòng)機，該發(fā)動(dòng)機計劃在2008年投入使用。一項長(cháng)期的EEFAE技術(shù)采購計劃"環(huán)境友好的航空發(fā)動(dòng)機的部件驗證機"（CLEAN）計劃由法國SNECMA公司和德國MTU公司負責，目標是研究到2015年應用的航空發(fā)動(dòng)機新技術(shù)。

　　 目前，英國羅·羅公司已經(jīng)制定了ANTLE計劃嚴格的發(fā)展目標。以20世紀90年代發(fā)動(dòng)機技術(shù)為基準，該計劃的目標是在4年內使新發(fā)動(dòng)機的研制周期縮短30%。同時(shí)，使燃油消耗率降低12%，與ICAO1996年的標準相比，CO2排放量減少12%，NOX排放減少60%。壽命期成本降低30%，可靠性提高60%。ANTLE技術(shù)驗證機以羅·羅公司的三轉子RB211和Trent發(fā)動(dòng)機技術(shù)為基礎。為A340-500和-600研制Trent500發(fā)動(dòng)機的改型發(fā)動(dòng)機將作為研究和研制的重點(diǎn)。為該驗證機提供組件的ANTLE伙伴包括：羅·羅德國公司、TRW英國公司、意大利菲亞特公司、西班牙ITP公司、比利時(shí)航空航天技術(shù)公司、瑞典沃爾沃公司和法國的伊斯帕喏-西扎公司。

　　 ANTLE計劃的研究?jì)热莅ǎ?br>
　?。?） 羅·羅德國公司研制采用整體葉盤(pán)的5級高壓壓氣機轉子。采用的先進(jìn)技術(shù)包括：三維氣動(dòng)設計技術(shù)、先進(jìn)的材料和制造工藝；

　?。?） 作為總目標使發(fā)動(dòng)機渦輪和壓氣機系統零件數減少25%的一部分，羅·羅公司設計減少葉片數目的高壓渦輪。同時(shí)，該公司還研究葉片角度可隨飛行狀態(tài)的變化而改變的新穎的變幾何葉片結構使氣動(dòng)性能得到優(yōu)化。而且，新設計的葉片更耐高溫，并且具有更高的級負荷；

　?。?） 意大利菲亞特公司負責改進(jìn)中壓渦輪，目標是提高渦輪的效率。這項新穎的設計將改進(jìn)密封和氣動(dòng)特性；

　?。?） 西班牙的ITP公司進(jìn)行4級低壓渦輪的研制，目的是減少葉片數目，該渦輪采用新的機匣和葉型結構；

　?。?） 對將先進(jìn)的材料包括鈦鋁合金和新的鎳基合金材料用于壓氣機和渦輪進(jìn)行評估，以提高熱端零件的工作轉速和工作溫度；

　?。?） 研究通過(guò)減少全權數字電子控制（FADEC）系統的錯誤信息數目達到降低擁有成本的方法。與目前與非智能附件相連的FADEC系統不同， ANTLE采用的附件都可與數字中心系統"對話(huà)"；

　?。?） 沃爾沃公司正在為一種后軸承機匣發(fā)展先進(jìn)的仿真技術(shù)，用于取代現有的單片鑄造部件，由于簡(jiǎn)化設計和易于維修，可能成為一種低成本的方案；

　?。?） 英國和德國正在研究采用先進(jìn)噴射技術(shù)的先進(jìn)低污染分級燃燒室，該燃燒室采用貧油燃燒有助于降低NOX排放量；

　?。?） TRW和羅·羅公司正在發(fā)展先進(jìn)的控制系統，比利時(shí)航空航天技術(shù)公司正在改進(jìn)滑油系統，伊斯帕喏-西扎公司正在設計新齒輪箱；

　?。?0） 新設計的一些部件正在進(jìn)行臺架試驗。2000年低，低NOX的燃燒室試驗結束，這項試驗主要研究和評估更好的噴射技術(shù)。目前該試驗臺正在進(jìn)行先進(jìn)的燃油管理的研究，重點(diǎn)是如何降低NOX排放而且不會(huì )帶來(lái)重量、成本和可靠性方面的不利影響；

　?。?1） 在核心機渦輪臺架試驗結束后，從2001年第三季度開(kāi)始壓氣機的臺架試驗。低壓渦輪和環(huán)形燃燒室的臺架試驗計劃從2003年開(kāi)始；

　?。?2） 2003年第二季度，ANTLE驗證機的硬件裝在羅·羅公司改進(jìn)的Trent 500發(fā)動(dòng)機上進(jìn)行至少75小時(shí)的嚴峻試驗--主要是啟動(dòng)、運行參數和污染監控。試驗將一直持續到2003年年底。

　　二、遠期的航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機新概念--多電發(fā)動(dòng)機

　　 隨著(zhù)燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機的性能水平和可靠性不斷提高，但不斷增加的減少成本和降低污染的要求使燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展達到了極限。ANTLE采用"半智能"的控制技術(shù)使今天的燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機發(fā)展為新一代的多電和全電噴氣發(fā)動(dòng)機。

　　多電發(fā)動(dòng)機（見(jiàn)圖1）是在傳統航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機上用主動(dòng)磁浮軸承代替滾動(dòng)軸承，用安裝在主軸上的內置式整體起動(dòng)/發(fā)電機為發(fā)動(dòng)機和飛機提供所需要的電源，用全電氣化傳動(dòng)附件取代機械液壓式傳動(dòng)附件，實(shí)現發(fā)動(dòng)機和飛機的全電氣化傳動(dòng)。固定在發(fā)動(dòng)機軸上的整體起動(dòng)/發(fā)電機是集起動(dòng)機和發(fā)電機功能于一體的電機。它利用電機可逆原理在發(fā)動(dòng)機穩定工作前作為電起動(dòng)機工作，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機轉子到一定轉速后噴油點(diǎn)火，使發(fā)動(dòng)機進(jìn)入自行穩定工作狀態(tài)；此后，發(fā)動(dòng)機反過(guò)來(lái)帶動(dòng)電機，使其成為發(fā)電機，向飛機用電設備供電。多（全）電發(fā)動(dòng)機的工作原理與傳統的燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機基本相同。

　　與帶滑油潤滑的普通航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機相比，多電發(fā)動(dòng)機具有性能更好、結構更緊湊、維修性和可靠性更高、大大節省運行和維護成本等許多優(yōu)勢：

　　首先，多電發(fā)動(dòng)機取消了傳統的潤滑系統和機械（液壓、氣壓）作動(dòng)系統，因此零件數減少，從而大大減輕了發(fā)動(dòng)機的重量（預計大型航空發(fā)動(dòng)機可減重10~15%）、降低了復雜性；

　　第二，由于磁浮軸承可比普通軸承更高的溫度（550~600℃）下工作，因此可設計得離燃燒室或渦輪更近，這樣使發(fā)動(dòng)機得結構更緊湊；

　　第三，磁浮軸承可進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制和葉尖間隙控制，同時(shí)可進(jìn)行狀態(tài)監控，另外，磁浮軸承可免除普通發(fā)動(dòng)機滑油帶來(lái)的著(zhù)火危險，因此，多電發(fā)動(dòng)機的可靠性和安全性更高；

　　第四，采用磁浮軸承后大大提高發(fā)動(dòng)機軸的DN值，可使軸徑更大，改善了發(fā)動(dòng)機的轉子動(dòng)力學(xué)特性；

　　第五，由于轉子系統無(wú)機械接觸和潤滑，因此維修性更好。發(fā)動(dòng)機軸上安裝的內裝式整體起動(dòng)/發(fā)電機能夠產(chǎn)生幾兆瓦的電功率，可為多電飛機提供電力，如氣動(dòng)的飛機空氣系統可由電動(dòng)的或自供電的系統代替，飛機控制的作動(dòng)和機翼的防冰也可由電力帶動(dòng)。此外，還可用于生成激光或微波束，作為機載高能束武器的能源。

　　 對于軍用飛機來(lái)說(shuō)，多電發(fā)動(dòng)機可提高發(fā)動(dòng)機的推重比，增加飛機的武器載荷量，增加無(wú)維修工作時(shí)間間隔（MFOPs），簡(jiǎn)化前線(xiàn)維護程序。另外，未來(lái)的無(wú)人機系統將要求完全一體化的電子系統以達到最佳的能力，上述這些都為多電發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。

　　美國和歐共體在20世紀90年代都先后開(kāi)始實(shí)施了多電發(fā)動(dòng)機計劃。2000年11月，英國政府起動(dòng)的為期四年的多電發(fā)動(dòng)機和機翼系統（MEEAWS）計劃，計劃用電子系統取代液壓、氣壓系統，降低飛機重量和成本，提高可靠性，該計劃是1997年一個(gè)相似框架計劃（為期三年）的繼續。

　　國外多電發(fā)動(dòng)機的發(fā)展主要是圍繞高溫主動(dòng)磁浮軸承技術(shù)展開(kāi)的。美國從1994年開(kāi)始發(fā)展燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機用磁浮軸承系統。美國綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機技術(shù)（IHPTET）計劃將驗證高溫主動(dòng)磁浮軸承技術(shù)作為第三階段的任務(wù)，將在XTC77/2發(fā)動(dòng)機上對高溫主動(dòng)磁浮軸承技術(shù)進(jìn)行驗證。美國空軍的一項計劃將在2003年在一臺噴氣發(fā)動(dòng)機的高壓軸上采用磁浮軸承，并進(jìn)行地面試驗。美國計劃2010年左右，在試驗飛機上運行磁浮軸承。

　　 1998年4月，歐洲啟動(dòng)了航空發(fā)動(dòng)機用主動(dòng)磁性軸承（AMBIT）計劃。計劃為期3年。該計劃的目的是開(kāi)發(fā)主動(dòng)磁浮軸承和備份軸承，同時(shí)預測它們的性能，并確定它們在高溫和高動(dòng)態(tài)載荷條件下的工作極限。計劃的重點(diǎn)是發(fā)展高溫材料和魯棒控制，并開(kāi)發(fā)預測性能的分析工具，最后在試驗臺上驗證所獲得的技術(shù)。2000年3月，AMBIT計劃順利結束。

　　由于A(yíng)MBIT進(jìn)展順利，2001年9月，歐洲啟動(dòng)了為期42個(gè)月的AMBIT的后繼計劃--靈巧航空發(fā)動(dòng)機用磁浮軸承計劃（MAGFLY）。該計劃的目標是開(kāi)發(fā)采用主動(dòng)磁浮軸承的航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)。該計劃將開(kāi)發(fā)用于靈巧航空發(fā)動(dòng)機的新一代主動(dòng)磁浮軸承；建立一套優(yōu)化的靈巧航空發(fā)動(dòng)機用主動(dòng)磁浮軸承設計程序；建立一套完整的系統模擬工具，包括為采用主動(dòng)磁浮軸承的靈巧發(fā)動(dòng)機開(kāi)發(fā)軟件工具；建立完整的發(fā)動(dòng)機機電系統設計能力；在不同試驗臺對設計工具和新方法進(jìn)行驗證。

　　三、結論
　　 未來(lái)幾十年里，燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機技術(shù)在民用航空市場(chǎng)仍將占據著(zhù)重要地位。新穎的多電發(fā)動(dòng)機將更好地滿(mǎn)足未來(lái)經(jīng)濟性和環(huán)境條件的要求。盡管目前多電飛機還有許多技術(shù)難題沒(méi)有解決，但它所具有的好處是毋庸置疑的。據預測，多電飛機及多電發(fā)動(dòng)機的概念將在未來(lái)10~20年內研制成功。