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[信息] [转贴]未来民用飞机发动机采用的新技术

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发表于 2007-9-29 02:52:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

未来民用飞机发动机面临的挑战与过去差别不大,但将达到更高的要求。航空公司需要降低运行成本,同时,环境方面的限制也将更加严格。为满足未来的发展需求,欧洲和美国的发动机制造商正积极研究更先进的概念--对转风扇、增加热交换器或取消发动机的附件齿轮箱。这里将对国外航空发动机制造商正在发展的一些民用发动机技术进行介绍。
1、对转风扇技术  
未来的飞机发动机将采用两级对转复合材料的风扇叶片。这项技术可大大降低风扇的噪声水平,大大减小风扇的直径,从而相应减小风扇叶尖的速度--当风扇叶尖的速度接近声速时,将是发动机最大的噪声源。对转风扇的最大技术难点是密封和轴承技术,它将承受过去两倍的转速。过去两年,GE公司在"X代"计划下研究两风扇间的气动干扰问题,并已取得了一定的研究成果。尽管没有进行正式的试验验证,但单个风扇(代表双风扇系统中的一个)的台架试验目前正在进行。  
目前,SNECMA公司也在其一项"关键研究计划"下进行两级对转风扇概念的研究,用一个普通的风扇概念和一个齿轮传动系统使风扇在与低压级不同的转速下运转。该对转风扇系统的好处是由于低速旋转,减少了气动载荷。但是,目前发展的对转风扇系统非常复杂。
  
2、压气机技术 
 
       为进一步提高压气机的压比,国外正在发展小展弦比的弯掠叶片、大小叶片和超声速通流叶片技术。为进一步减轻压气机的重量,正在发展压气机的整体叶环技术。  
GE公司未来高压压气机的发展目标是使6级结构的压气机达到20的压比。为改进内部的气动特性(包括压气机和其他领域),工程师们正在研究采用附面层吹吸技术,以减少附面层的厚度。  
另一项改善发动机性能的技术是利用超快速作动的可变导向叶片实现的主动喘振控制技术。高压压气机中的高速压力传感器可用于检测喘振现象的开始,并相应调节导向叶片的角度。这样,可减小喘振裕度,提高压气机的效率。
3、燃烧室技术  
      目前,GE公司正在发展双环腔的预旋转(TAPS)燃烧室技术,以使污染排放比目前的标准低85%。TAPS最初是Tech56计划下为CFM56发动机系列发展的技术,现在,GE公司打算将这项技术用于大型航空发动机上。同时,GE公司也在研究主动控制技术,以保证获得"贫油的"燃油/空气混合物。主动控制技术将用于检测可导致火焰熄灭的贫油混合物,从而消除混合物对富油裕度的需求。混合物越贫油,产生的对环境有害的NOX污染物的排放就越少。  
SNECMA 公司还在用空间计划发展的技术改进燃烧室的结构。为提高耐热能力,燃烧室壁将采用陶瓷基复合材料,目前用于冷却的空气将加到燃油/空气的混合物中,再次导致贫油的混合物。燃烧产生的污染也可通过采用多点喷射器技术达到更精密的原子级的燃油喷射。另外,该公司还在利用激光点火系统。一个由激光产生的热源可比点火器的能量更高。点火范围也可以扩大。  
普·惠公司正在进行与众不同的减少NOX污染物的研究,减少燃油/空气在燃烧室中的停留时间。罗·罗公司发展的"第五阶段"燃烧室使NOX排放比1996 年的标准低20~30%。目前,国外正在研究其他的低污染燃烧室,包括:分级燃烧室、贫油预混合/预蒸发燃烧室和富油燃烧/快速掺混/贫油燃烧室、变几何燃烧室等。
  
4、涡轮技术 
 
       在高压涡轮方面,GE公司的目标是达到5.5的膨胀比。工程师们也在研究如何增加叶片的气动载荷。SNECMA公司正在研究加强冷却和热障涂层技术。未来 10年,大大降低的换热系数将使叶片的寿命大大增加,提高涡轮进口温度或简化冷却系统。同时,普·惠公司正在研究通过采用如钛铝合金之类的材料使高压涡轮的耐高温能力提高的技术,采用这种材料后或者提高工作温度,或者延长部件的设计寿命。  
未来低压涡轮的发展方向是采用对转技术以提高效率。目前,所有的发动机制造商都在寻求在未来的涡轮上部分采用智能技术。例如,GE公司正在寻找一种方法调节涡轮叶片的叶尖间隙。今天,间隙是为起飞条件准备的,一旦飞机达到巡航速度,间隙将不再处于最佳状态,因此,发动机的效率受到了损失。
  
5、控制技术 
 
       为使发动机更加智能化,未来的发动机控制系统不需要安装更多的传感器,但是能对它们产生的数据进行更好的处理。FADEC系统将更加鲁棒、能在不关闭发动机的情况下对意外的情况进行控制。分布式控制将降低控制系统的复杂性,大大减轻航空发动机的重量,提高可用性,改善故障隔离特性,提高可靠性,减少寿命期成本,减轻驾驶员的工作负荷,改进发动机的控制,并带来故障检测和维修性方面的巨大好处。预计,采用分布式控制系统的大型民用发动机的重量可减轻50kg 左右,维修成本可减少20~30%。
  
6、噪声抑制技术  
       发动机的噪声主要有风扇/压气机噪声、涡轮和燃烧噪声及喷气噪声。民用高涵道比发动机的噪声主要是风扇。目前,降低民用发动机风扇噪声采用的技术有:提高涵道比,使发动机的排气速度降低;降低叶尖切线速度、选择合适的转子叶片数目和合适的间距;采用吸声衬垫和长的整流罩;对转风扇技术;采用流动控制降噪技术等。  
为降低高压涡轮出口的噪声等级,GE公司和SNECMA公司都在发展围巾型的排气喷管。这种系统在起飞时有很好的结果,但影响巡航时的性能。采用形状记忆合金的围巾型喷管有可能是解决这一问题的方法。另外,SNECMA公司还在研究在喷管的周围定时和定向的喷射空气以加速排气的混合,这项技术的应用可能需要10年。  
另一个抑制噪声的候选技术是主动控制技术,该技术如果在与固定和旋转部件间的干扰相对应的特有频率下使用将非常有效。压电作动器将可能被设置在如风扇出口导向叶片这样的关键位置上。   
7、间冷回热技术  
        目前,由欧洲多国参与的间冷回热航空发动机(IRA)正在发展中。IRA的概念可使发动机的热效率达到最大,通过采用一个热交换器或回热器,改进热力循环特性,减少氮氧化物的排放。回热器可能位于热排气中,而一个收集器、分离器和管道的系统将提供热交换器压缩空气,然后将其送回到燃烧室的进口。该计划将使压气机的空气温升提高200℃。结合齿轮传动的风扇,IRA概念与当代的涡扇发动机相比,最多可少产生80%的氮氧化物。噪声可低35dB,燃料消耗和 CO2排放最多可少20%。预计,到2015年,IRA发动机将进行飞行试验,2020年左右可获得实际应用。
  
8、整体起动机/发电机
  
       目前,国外多电发动机技术也正在发展中。在未来10年里,整体起动机/发电机将有可能取代今天与发电机分开的空气起动机。在此5年之后,起动机/发电机可能被直接安装在发动机的转子上。  
采用整体起动/发电机可取消功率提取轴和减速器,减小发动机的重量和迎风面积;所产生的电功率由两根以上的发动机轴分担,可以重新优化燃气发生器,有利于控制喘振和扩大空中点火包线,改善发动机的适用性;易于获得大的电功率,达几兆瓦。更多的电力可用于空气调节系统,大大将少对放气的需求。电动作动器将消除对液压管线的需求,提高可靠性和灵活性,同时减少运行成本。
  
9、脉冲爆震技术
  
       脉冲爆震发动机技术是目前航空推进领域的发展热点之一,它可使发动机的效率提高24%,生产成本降低25%,并有使燃油消耗降低25%及单位推力提高 45%的潜力。另外,移动零件的数目可大大减少。目前,国外正在研究脉冲爆震混合推进技术,即利用PDE取代民用超声速运输机的加力燃烧室,或者作为与普通燃气涡轮发动机部件相连的燃烧室。美国普·惠公司已对一种飞行尺寸的导弹用PDE进行了试验,单管的爆震频率已达到80Hz,并产生了 667daN(1500lb)的推力。GE公司采用液体Jet A燃料的PDE产生了超过44daN(100lb)的推力。美国空军计划在今年4月份开始一种PDE的试验飞行,预计,该发动机的最大推力为534daN (1200lb),飞机的飞行速度大约为277.8km/h(150kt)。试验中发动机将采用航空汽油。 
 
10、燃料电池技术 
 
       燃料电池是一种不经过燃烧,将氢直接转化为电能和热量的电化学设备,燃料电池的效率是内燃发动机的两倍以上。燃料电池也是绿色的发动机,因为它以氢为能源,排气中只有水。  
21世纪的航空推进将从今天的依靠化学燃烧的能源逐渐转向一个采用混合能源的系统,最后将转向大部分依赖基于电化学能源。向绿色发动机过渡的第一步是实验性地发展以燃料电池为动力的无人机和通用飞机。  
美国波音公司计划在B737飞机上验证一种基于燃料电池的辅助动力装置(APU),并可能在2010年以后在民用飞机上采用。同时发展的还有基于固态氧化物燃料电池(SOFC)的先进的APU。波音公司预计,这种电池可使效率提高45%。相当于一架典型的B777飞机每年可节省340500kg的重量,一架典型的B737飞机每年节省1360000kg的重量。预计,燃料电池技术将在2010年左右完全成熟。  
此外,燃料电池技术还允许设计者发展非传统的动力装置和机体结构。目前,分布式的矢量推进、分布式的排气和分布式的发动机概念正在探索中,在这些概念中,微型或超微型的发动机可沿机体表面集中或分布式排列。另一个概念是几个小风扇被两个或三个主动力装置驱动。在一些概念中,即高效翼型如翼身融合体,由于机翼横截面变得非常大,因此需要巨大的燃料电池。
11、高超声速涡轮组合推进技术 
 
       民用的高超声速客机在21世纪有广阔的前景。21世纪跨太平洋的客运会大幅度增加,由于高超声速客机飞行时间短,对于这样远距离的运行就很有吸引力。  
吸气式高超声速(飞行马赫数大于5)飞行器是未来民用飞机的发展方向之一。涡轮基组合循环(TBCC)动力装置可使未来的高超声速飞行器像飞机一样工作,并且可重复使用(大于1000次任务,每年可飞行100次),用途多样,有灵活的发射和着陆地点,耐久性高,单位推力大,能采用普通的燃料和润滑剂、成本低。目前,美国、日本和印度等国都在发展TBCC技术,并准备在2006年以后进行地面试验验证,2009年进行TBCC的飞行试验。



发表于 2012-3-31 02:45:11 | 显示全部楼层
资料不错,过来学习.
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