航空发动机效率提升技术研究

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摘要：介绍了航空发动机提升热效率及推进效率的技术方案，进行了相关理论分析，并重点分析了以美国PW公司为例的实际机型研发过程，据此引入了桨扇发动机的技术概念。尽管以桨扇发动机为代表的先进航空发动机技术的应用前景目前有待进一步确认，但对以提升热效率和推进效率为重要研究方向的航空发动机节能技术领域的关注程度已在逐步提升。

关键词：航空发动机；热效率；推进效率；节能；桨扇发动机；燃气轮机；航空运输

在过去的50年内，民用航空运输已成为旅游出行的主要方式之一，并有着无可比拟的速度和效率[1]。作为飞机的动力来源，针对航空发动机的技术研究将长期延续下去，而该领域当前的重点研究目标是改进性能和成本。以涡轮喷气发动机为代表的航空推进动力装置源于战争时期的技术革新，并据此得到了相应的发展。早在20世纪50年代后期，民用飞机工业发展即已进入了全新的技术发展阶段，涡轮风扇发动机也得以首次登场。早期的涡轮风扇发动机仅采用适度的涵道比，约为0.3~0.6，并且采用了双转子布局，同时也使其推重比和效率等参数得以不断提高。与此相对，低涵道比发动机通常用于军用飞机。就目前而言，民用飞机工业已逐渐进入宽体飞机时代，涵道比大于5：1的高涵道比涡轮风扇发动机逐渐受到了广泛关注。

1航空发动机提升热效率的技术方案

目前，仍在不断改善航空发动机的燃油经济性并降低排放。后者很大程度上影响到燃烧系统的总体设计，包括燃油喷嘴需以低温燃烧的方式实现较高的燃烧效率，而此类设计亦会影响到发动机控制系统。部件效率的不断改进，无疑会对整机热效率起到一定的提升作用。在过去的数十年内，计算流体动力学（CFD）已经得到长足发展，并对该领域的技术优化起到重要影响作用。可以预料到，在未来数十年内部件效率的改良趋势将有所减缓。总增压比和涡轮进口温度这2个参数是燃气轮机工作循环的重要设计参数[2-4]。随着压气机级数的不断增多，必然会使得整机重量和复杂性随之提升。尽管如此，航空发动机在热效率方面的改善是有目共睹的。在过去20年内，随着航空发动机的增压比的不断增大，新机型的压气机级数比一些旧款机型有所减少。迄今为止，对航空发动机热效率进行改良的最有效措施是研制新的材料，可有效促进涡轮进口温度的不断提升。在过去的数十年间，美国军方开展了综合高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET）。其中一部分工作是致力于在高温场合下优先采用陶瓷材料。应用陶瓷材料的技术难点在于其延展性较低，因此存在较高的风险。尽管如此，该技术所具有的优点对于非运动部件则有着较高的应用价值。此项技术于近年来已在军用航空发动机叶片上进行了试验验证。通常认为，此项技术在若干年内不会考虑优先在民用航空发动机上应用。通常要求研制出的新型材料有利于减轻整机重量。同时，仍需控制涡轮进口处温度分布的均匀性。为此需采用更精确和更精密的温度测量系统，同时，也需对燃烧过程进行更严格的控制。在此类新材料应用于民用航空发动机之前，仍有一系列工作需要开展。

2航空发动机提升推进效率的技术方案及实例分析

2.1航空发动机提升推进效率的技术方案。在下一个十年，预期商用飞机将以更高效的新一代产品来替代现有机型。因此，就经济层面上而言，其制造成本、燃油经济性、运营维护成本需比现有机型有所大幅改进。为支持这一目标，需要提供全新推进系统的相关设计方案。通过采用更高参数（气体温度和压力）的发动机可直接改善热效率及推进效率。航空发动机的推力F通过如下公式进行定义：F=w•(Vj-Va)（1）式中：w—发动机质量流量；Vj—喷气速度；Va—飞机飞行速度。因此，对于某个特定的飞行速度，可以由高质量流量和低喷气速度的发动机获得与低质量流量和高喷气速度的发动机相同的推力[5-6]。由于当喷气流离开发动机后，余留在喷气流中的动能无法起到推进作用，由此可知，采用低喷气速度的高涵道比发动机具有更高的效率。实际上，推进效率η：η=2/(1+Vj/Va)（2）取其极限，当Vj=Va时，推进效率=100%。但事实上，在该工况点的推力为0。因此，该项结论表明，使Vj尽可能接近于Va是切合实际的。在设计中，如采用更高的质量流量和更低的喷气速度，即意味着要求发动机有着更大径向尺寸和更高的涵道比。高涵道比发动机的实际应用现状是，其需要较低的风扇转速，一方面需确保叶片应力处于可控范围内，另一方面则应确保发动机叶尖线速度处于声速或接近声速的状态。由于风扇通过低压涡轮驱动，为此导致了发动机径向尺寸的不断增大，同时为达到较低转速而使低压涡轮级数较多。因此，自20世纪70年代以来，大多数涡轮风扇发动机的涵道比设定为5左右[7]。在过去的30年内，已经通过多种途径来不断提升航空发动机的推进效率，主要的技术创新如下：（1）低压涡轮和风扇之间设置减速齿轮箱，以便在涡轮和风扇之间实现所必需的转速匹配；（2）重新设计不带定子的涡轮。每组叶片构成一级涡轮，与其相邻一级进行反向转动。上述第2项与传统的设计相比，可涡轮转速降低达一半，此类设计理念需采用两级对转风扇。而在进行“开式转子”或“无涵道风扇”概念验证期间，即已对该两项概念开展过相应研究。早在20世纪70年代，为应对石油输出国组织（OPEC）的石油禁运令，美国方面即已开始进行上述领域的研究。后期由PW公司（Pratt&WhitneyGroup）推出全新的发动机，该发动机采用了齿轮传动风扇以及其他诸多改进技术[8]。2.2以美国PW公司实际机型研发过程为例的技术分析。早期的涡轮风扇发动机以大约5：1的涵道比进行运行。由于低压涡轮和由低压涡轮传动的风扇之间存在转速不匹配的情况，显著限制了涵道比的不断增大。更大的涵道比需要更低的风扇转速。在当时的设计中，风扇叶片的叶尖线速度已臻超声速状态，增加涵道比而不降低转速意味着更大应力的存在，并且易于导致能量损失。同时，低压涡轮较低的转速同样会导致效率下降。20世纪80年代，由PW公司研发的578DX型发动机，其设计方案是在发动机和复杂的对转可变桨距桨扇之间使用一个齿轮箱。该桨扇具有2组6桨叶螺旋桨，桨叶具有很大的后掠角和曲度。其具有涡轮风扇发动机所具备的飞行速度和推力，并具有先进涡轮螺旋桨飞机所具有的燃油经济性。此发动机于1989年安装在一架经改型的麦克唐纳道格拉斯公司MD-80飞机上，完成其首次飞行。然而该款578DX发动机仍存在诸多技术问题，其较难以与飞机实现匹配，同时还包括噪声、重量和可靠性等其他问题。从1998年开始，PW公司制造了一系列通过齿轮传动的涡轮风扇发动机，每一款发动机均采用当时的最新技术，并对先前的设计进行大幅改进。该系列的发动机的高压压气机由5级增加到8级，并大幅改善了其热效率。2008年7月，PW公司将当时研发的机型定名为PW100，并且成功投放市场。该发动机的涵道比为12：1，推力在15000~30000bf范围内，风扇直径范围为56~81in（依据推力等级而定）。在技术方面，该发动机仅需要3级低压涡轮，这一技术改良减少了1500个零件，使发动机实现了轻量化，并降低了相应的维修成本。高压压气机的每一旋转级都均配装有整体叶盘。燃烧室衬层可单独自由膨胀和收缩。其燃烧过程是在精确控制下进行的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）循环。该项技术是长期研究努力的结果，其能对火焰进行有效控制，在循环的富油燃烧部分尽可能地接近理论配比极限，然后进行快速淬熄并转入贫油燃烧过程，以此降低氮氧化物（NOx）生成量。NOx的生成量很大程度上取决于火焰温度，此项设计降低了初级燃烧区的平均温度，从而减少NOx的排放。由于风扇转速是低压涡轮转速的1/3，因此噪声降低达15dB，同时经验证，该机型燃油消耗率比现有常规发动机降低达12%。而更受关注的技术创新是采用了可变面积的风扇排气口。在起飞状态下使风扇排气口完全打开，以获得更大的推力；而当发动机转为巡航状态时，风扇排气口关闭达15%，以此增加发动机压力比，并降低燃油消耗率。但不可否认的是，依然有高达数百马力的功率不得不以热量的形式被消耗。此外为达到高可靠性，必须从齿轮齿合面去散发此类热量，为此需要较为先进的润滑油输送和冷却系统。毋庸置疑的是，散热性能对航空发动机的可靠性是一项关键指标。2.3桨扇发动机技术及其发展。PW公司针对578DX验证发动机所用的先进螺旋桨技术开展了大量工作。主要技术进步在于高速后掠、曲线螺旋桨桨叶，为此增加桨盘负载，同时尽可能降低功率损失。此类使用对转螺旋桨的航空发动机被定名为“桨扇发动机”。部分文献也称其为“开式转子发动机”。在PW公司研发578DX发动机的同一时期，GE也投资于其自身的桨扇发动机项目，并生产出GE-36发动机，同时于1986年在B727试验机上完成首飞。但需注意的是，该款发动机属于试验机型，并未正式投入使用。随着20世纪80年代后期，石油价格回落等原因，GE对此项目逐渐失去了兴趣，并终止了此项目。也许GE-36发动机最值得关注的特点在于用来驱动对转风扇的方式。这一布局的机械设计非同寻常。由于其不使用齿轮箱，因此，涡轮必需使其转速与螺旋桨匹配。而桨距控制机构则需安装在由旋转“静子”构成的旋转筒周围。578DX和GE-36这2款发动机均可大幅节省燃油（约为30%）。然而，在该两类发动机正式投入商业应用之前，需重点解决其噪声问题。后桨叶切割前桨叶的尾涡流是主要的噪声源之一，而并未配装发动机导流罩则加剧了该问题的严重性。同样，桨扇发动机能否在民用运输机上安装，仍需解决桨叶失效风险等一系列问题。尽管目前依然莫衷一是，尚无定论，但不可否认的是，其研发成本无疑是巨大的。桨扇发动机采用的对转布局意味着推进器转子每分钟绝对转数的减速比可达2：1，其转轴较短短且刚度较大。这种构型为增大涵道比并因此而改变推进效率提供了较高的技术灵活性。同时，需在传统的核心发动机技术方面采用先进技术，以增大热效率。此外，风扇罩将大幅改善噪声问题。值得注意的是，近年来，GE公司与NASA签订了一份涉及研究桨扇发动机的协议。按这份协议，将对原来验证项目中所使用的试验台架进行整修，并对桨扇发动机的未来发展潜力进进一步的研究。

3结语

燃气轮机应用于航空动力装置领域的技术水平目前已高度成熟，针对其的后续技术发展均有着不菲的研发成本。例如，对转桨扇发动机需同时研究其独有的涡轮和风扇部件。同时仍需预先考虑此类全新的技术产品在未来是否有足够的市场前景，并据此可实现大范围商业化推广。尽管基础性技术（如材料和制造）可借鉴军用发动机领域，但就目前而言，军用航空发动机与民用航空发动机仍存在着较大的差异。由于民用飞机市场可进一步划分为短途和长途营运，并且对降低燃油成本的要求所带来的压力依然在不断增大。随着石油资源的不断消耗，对航空发动机提出的节能要求可谓日益严苛，尽管以桨扇发动机为代表的先进航空发动机技术的应用前景目前有待进一步确认，但对以提升热效率和推进效率为重要研究方向的航空发动机节能技术领域的关注程度已在逐步提升。

作者:伍赛特 单位:上海汽车集团股份有限公司