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航空发动机技术的未来发展之路 开式转子改规则


来源:中国航空报

为了巩固航空发动机产业的全球核心地位,美国、欧盟等航空发达国家在航空发动机的技术发展与产品研制过程中,持续出台具有指导意义的战略政策,并不惜巨资实施系列专项技术研究计划,如美国的综合高性能涡轮发动机(

为了巩固航空发动机产业的全球核心地位,美国、欧盟等航空发达国家在航空发动机的技术发展与产品研制过程中,持续出台具有指导意义的战略政策,并不惜巨资实施系列专项技术研究计划,如美国的综合高性能涡轮发动机(IHPTET)计划、极高效发动机技术(UEET)计划,环境负责航空(ERA)计划以及欧盟的系列框架计划。长期持续高强度的技术研发投入使得美英法等国家在航空发动机的全产业链形成了突出的技术领先优势,所发展的多种涡扇发动机牢牢占据了各级别发动机市场,同时不断开展包括齿轮传动、开式转子、混合电推进技术等新型动力技术的探索,呈现出多元化的发展趋势。

罗罗先进发动机路线图

涡扇发动机仍将主导民用航空动力市场

在航空发动机技术不断取得进步的过程中,涡扇发动机已经牢牢占据了民用干线客机市场,并形成了满足各级别干线客机、支线客机和喷气公务机需求的产品线。与此同时,发动机制造商始终专注于通过提高热效率和涵道比来改善传统结构的大涵道比涡扇发动机的循环效率,并持续开展循环参数优化、气动设计改进以及部件耐久性设计的研究,以提高涡扇发动机的性能、可靠性和耐久性,并降低发动机的耗油率。

罗罗公司长期持续推进大涵道比涡扇发动机技术研究的项目可以归纳为:Advance2x项目,包括用于公务机、支线客机和部分窄体客机的涡扇发动机;Advance3项目,包括用于宽体客机和大型窄体客机的大涵道比涡扇发动机。其大致发展途径是以Advance2和Advance3项目所发展的双转子或三转子发动机技术在2020年前达到成熟为目标,实现发动机耗油率比遄达700发动机至少降低20%。2014年2月,罗罗公司首次揭秘了公司发展2020年及更远期的下一代发动机的路线图,即以三转子发动机结构的衍生发展为基础,依赖于公司未来发动机设计的大量可缩放的技术,首次引入复合材料低压系统和齿轮传动结构,并保持向开式转子发动机衍生发展的潜在可能性。归纳起来,罗罗公司在宽体客机发动机方面未来主要专注于分别于2020年和2025年服役的Advance和UltraFan两型发动机的设计,以延续其遄达系列发动机所建立的优势地位,并保持比遄达XWB发动机耗油率改善10%。其中,Advance发动机旨在2020年左右服役,涵道比将超过11,总压比将超过60,耗油率至少比当前的遄达700发动机改善20%。

GE公司大涵道比涡扇发动机的发展思路是长期专注于核心机发展途径,一方面通过实施先进涡轮发动机燃气发生器等研究计划来发展核心机技术,另一方面积极开展复合材料风扇等低压系统来匹配核心机,及时研制出先进大涵道比涡扇发动机,并获得了巨大的研究成果和市场回报。GE公司正在开展eCore核心机验证机的研究,采用先进材料的10级高压比高压压气机技术、最新双环腔预混旋流(TAPS)燃烧室、采用先进材料和冷却设计的高压涡轮以及新型短舱等。将发展成熟的eCore核心机技术和先进低压系统技术不断应用于未来大涵道比涡扇发动机的设计中去,及时研制出满足市场需求、具有竞争力的发动机产品,如波音777X飞机的GE9X发动机、为窄体客机提供动力的Leap-1系列发动机以及公务机的Passport发动机等先进的新型大涵道比涡扇发动机。

空客的E-Thrust概念

齿轮传动涡扇发动机将不断扩大应用平台

齿轮传动涡扇发动机(GTF)是采用由低压涡轮通过减速器来传动风扇的设计方案,先进的齿轮系统使风扇在不同低压压气机和低压涡轮的速度下运转,并与先进的核心机进行组合,以保证最低的运营成本,并实现燃油效率和环保特性的提升。普惠公司、GE公司、德国MTU公司以及俄罗斯均进行过相关研究,但是作为GTF的忠实拥趸,普惠公司始终坚持着这一方向,并在三维气动设计、轻质材料和压气机、燃烧室和涡轮等多项重要结构和关键技术的研究方面取得了突飞猛进的发展。

目前,普惠公司GTF技术已近成熟,全新研制的PW1000G系列发动机已经交付使用,实现耗油率相比在役发动机降低11%~12%,噪声比第三阶段要求低30dB。PW1000G系列在成功实现配装覆盖70~190座级的多个应用平台(包括A320neo、MRJ、MS-21、C系列、EJet- E2系列)后,也不断透露其未来的GTF技术发展方向。2013年7月,普惠公司表示公司有一条到2020年中叶相比当前发动机的耗油率节省20%~30%的技术路线图。路线图瞄准新应用平台每一年耗油率降低1%,改进已经服役的发动机实现50%的降耗,并在10年内将耗油率从当前的15%改善量降低到下一代GTF的25%改善量。未来在N+3代发动机上,普惠公司正在研究传动比最低为4:1的全动行星齿轮结构来尽量提高GTF的涵道比,并采用先进的气动特性和轻质量的风扇转子、通过更高齿轮比来增加涵道比、主动燃烧室控制以及涡轮中的新材料和冷却方案。普惠公司持续开展齿轮箱的研发能够提供发动机耗油率的阶跃性改善,并在未来挑战GE公司和罗罗公司等发动机制造商。

另外,罗罗公司在2014年首次揭秘的下一代涡扇发动机路线图中提出的旨在2025年服役的UltraFan方案中也包含了GTF技术。UltraFan发动机将成为罗罗公司首型采用由动力齿轮箱驱动风扇的大型商用涡扇发动机,将于2025年服役,推力范围将超过100000磅(445kN),涵道比增加到15,总压比达到70,基于2025年服役的技术,其目标是实现耗油率比遄达700发动机至少改善25%。

NASA的混合电推进一体化系统试验台Heist

开式转子发动机将成为“游戏规则的改变者”

随着航空燃油价格上涨和“绿色航空”的倡导,开式转子发动机技术自上世纪90年代以来再次成为国外关注的热点之一,并获得GE公司、罗罗公司和斯奈克玛公司的青睐。

2008年,GE公司与NASA组合联合团队,重启搁置已久的GE36无涵道风扇(UDF,又称开式转子)的研究工作。目前,GE公司在NASA的亚声速固定翼飞机(SFW)计划和环境负责航空(ERA)计划下在低速风洞和高速风洞中开展对转开式转子的系列试验,以验证开式转子的气动性能和声学性能,同时,美国FAA在持续降低能耗和排放(CLEEN)计划下开展了开式转子适航技术的研究,为开式转子的设计提供资源保障。系列研究计划开展的开式转子的研究能够提供满足当前和未来噪声、排放要求的动力解决方案。研究人员预测了在单通道飞机尾翼上安装2020年的开式转子发动机技术的耗油率和社区噪声,并通过风洞试验验证转子的噪声,报道的预测累积噪声相比第四阶段要低13dB,并验证了开式转子设计在过去30年的重要进步。

在商业和环境压力下,同时为了保持欧盟在航空动力技术上的领导地位,欧盟重燃了对开式转子技术的兴趣,开展了新型发动机结构系统验证计划、“净洁天空”计划等一些大型研究计划,以积累能够大幅降低未来单通道飞机的耗油率、社区噪声、碳氧化物排放等的先进动力技术。在欧盟的净洁天空计划下,罗罗公司和斯奈克玛公司各承担了一项可持续、绿色发动机(SAGE)验证机项目,分别开展齿轮传动开式转子和直接驱动开式转子发动机技术的研究。

罗罗公司将开式转子定义为面向2025年“唯一具有潜力的游戏规则改变者”,放弃当前窄体客机A320NEO和737Max的换发项目,在100~200座级的单通道干线客机的动力领域专注于开式转子发动机技术,以满足2025年的潜在市场需求。罗罗公司主导的齿轮传动开式转子的目标是在“净洁天空”时间框架(2016年)和资助内,继续使主要的技术和部件不断成熟,为整机验证做好准备,其中,“齿轮传动是后期选项”,将在“净洁天空2”计划下继续开展。目前罗罗公司正在策划一项全尺寸开式转子验证机飞行测试的欧洲项目,不过达到这个里程碑需要约6年时间,并将持续到“净洁天空2”计划。同时,空客公司与发动机公司一起研究采用开式转子发动机飞机的适航取证要求。罗罗公司认为,开式转子发动机进入服役最早也要等到下一个十年的中期,是下一轮民机发动机技术革新的选项。同时罗罗公司强调开式转子可实现两位数的效益增长,将会比同等水平的先进涡扇发动机在油耗方面改善10%左右。

斯奈克玛公司主导的直接驱动开式转子的目标是验证用于评估开式转子结构可行性和环境优势的技术,采用已有燃气发生器和台架开展技术验证和集成验证,开发用于发动机技术验证的制造技术和材料,计划2015年年底台架试验,2016年交付并开展验证机的地面试验,基于预测和试验结果来评估未来生产型开式转子推进系统的耗油率和噪声排放的改善;2019年在后续的“净洁天空2”计划下在修改的空客A340-600飞机上开展飞行试验,使得齿轮传动开式转子发动机在2020年达到技术成熟度6,并准备好生产型产品的研发,以实现2025~2030年投入市场。

对于基于布雷顿循环的推进系统而言,每一次技术进步都能带来燃油效率的大幅提升。目前,性能最好的涡扇发动机只能使用燃油40%的潜在能量,而正在研发的新一代涡扇发动机——变循环发动机(即在压气机末级和进气道中间采用可变涵道流以及超高压比技术)也只能利用55%~70%的燃油能量。然而,可能在50~75年以后,布雷顿循环将面临极限的挑战,因此,为了进一步提升推进系统的效率,美、欧政府均将混合电推进系统视为有潜力在2030年后投入使用的、极有前景的民用航空动力解决方案,并组织飞机系统集成商和动力厂商积极开展探索和预研。

混合电推进技术,是指通过传统燃气涡轮发动机为分布在机翼或机身的电机/风扇提供电力,并由电机驱动风扇提供绝大多数或全部推力(燃气涡轮发动机可部分提供或不提供推力)的一种新型推进技术,等效于大幅提高动力系统的涵道比,其最大的优势是能够极大地降低推进系统的燃油消耗量和各种排放。美国波音公司、GE公司,以及欧洲空客集团、德国西门子公司和英国罗罗公司,都已在政府支持的科研计划中开展混合电推进系统研究。

目前各国正不断提升混合动力技术水平及其技术成熟度,探索多种新型混合动力飞机方案。

2014年3月,NASA德赖登飞行研究中心建成名为AirVolt的电推进试验台,用于准确测量从电池、马达到速度控制器和螺旋桨等各个系统部件的效率。之后,为进一步试验更紧凑电力推进系统-飞机集成的收益,NASA与实验系统航宇公司(ESAero)合作,实施前沿异步推进技术(LEAPTech)验证机项目,开展混合电推进一体化系统试验台(Heist)的地面试验;为进一步验证高效、低噪声和排放以及高的总转换效率的电力飞机推进系统,NASA于2015年启动了缩比尺寸电推进技术运用研究(Sceptor)项目,将P2006T型轻型活塞双发飞机转换为分布式电推进系统。

与此同时,NASA在其面向N+3代飞机(代表2030~2035年左右服役的技术水平)的亚声速超绿色研究(Sugar)计划中,也探索了采用燃气涡轮电力分布式推进系统(TeDP)的N3-X飞机。TeDP将产生推进力的装置与产生动力的装置分开,由两台安装在翼尖的涡轴发动机驱动超导发电机产生电能,并驱动15台嵌入机身的超导电动推进器产生推力。然而,由于N3-X飞机的技术风险更大,并面临适航问题,因此,研究工作目前聚焦到可在近期实现的波音737尺寸大小、常规布局的混合电推进技术飞机方案——带有后置附面层推进器的单通道涡轮-电动力飞机,其中,涡扇发动机在起飞时提供80%推力,巡航时提供55%推力。

在欧盟“航迹2050”计划下,空客集团提出了基于分布式混合电推进系统的100座级E-Airbus支线客机概念。E-Airbus采用6台电动风扇,每个机翼上沿展向分布3台,并通过一个燃气动力单元(即涡扇发动机连接到发电机,以产生电力)为风扇(产生推力)提供电力和为电能存储装置充电,推进系统的等效涵道比预计将超过20。进一步地,通过E飞机项目来研究电力推进的优势,验证了混合电推进技术所需的轻质、高效的发电机和电动机技术,评估降低二氧化碳排放的潜力。

另外,美国极光飞行科学公司也提出了一型基于混合电推进系统的“雷击”无人机方案。该无人机由1台涡轴发动机驱动3台发电机产生电力,并将电力分配至全机24个涵道风扇,最终实现持续飞行速度达到556~741千米/时、悬停效率不低于75%、机动性能能够承受-0.5g~2.0g过载的项目目标。后续极光公司将开展原型机研制和试验工作,预计2018年完成首飞。

除这些研究项目外,美国和欧盟的其他多家公司也均在开发混合电推进技术和分布式电推进技术的飞行器,旨在进一步提升混合电推进技术的技术水平和技术成熟度,实现最终服役。

随着航空涡扇发动机性能的不断提升,其热效率将逐渐接近燃气涡轮发动机的理论极限值,因此,促进航空动力从热力学结构的燃气涡轮发动机向新概念发动机转型。当前的一系列研究工作,已经验证了混合电推进技术作为高效动力的潜力。混合电推进技术作为最有可能在2030年后取代燃气涡轮发动机的候选动力技术,一方面能够实现耗油率的阶跃性改善,并获得了各方力量的积极推动,另一方面彻底解放了飞机结构设计,出现了翼身融合设计、鸭翼布局的倾转机翼设计、分布式推进系统设计等各种飞发一体化的创新设计。未来,将进一步组织研发紧凑型、高功率密度、能够产生1~2兆瓦电能的电动机,以满足全电飞机、直升机或大型运输机的动力需求,在实现采用混合电推进系统的军民用飞机服役的同时,彻底颠覆未来的航空动力格局。

随着“绿色航空”要求的日益苛刻,基于布雷顿循环的传统燃气涡轮发动机的效率已经提升到了很高的水平,在不久的将来将面临极限的挑战。当前,航空动力技术发展已经从不断提升涡扇发动机效率逐渐向提升航空动力循环效率发展,日益呈现出改变发动机构型、甚至是出现颠覆传统涡扇发动机构型的新概念发动机技术。在系列研究计划的资助下,探索了一系列具有应用潜力的新型动力技术,包括齿轮传动技术、开式转子技术、混合电力推进系统、燃料电池推进系统、混合脉冲爆震发动机等,呈现出了一条明晰的多元化航空动力技术发展路线图,并有可能带来飞机总体和系统设计的重大变革。

(作者单位系中航工业发展研究中心)

[责任编辑:吴雨洪 PN011]

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