圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)
表1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)
特點(diǎn) | 說明 |
工況復(fù)雜 | 渦輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)每秒轉(zhuǎn)速達(dá)上千轉(zhuǎn),渦輪前溫度達(dá)1500℃甚至更高;壓力約20-40 個(gè)大氣壓,1-2 噸自重要產(chǎn)生推力幾千到幾萬公斤 |
制造要求高 | 零件加工精度到微米級(jí);零件數(shù)量幾千上萬個(gè) |
研制費(fèi)用高 | 世界上四大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司每年的發(fā)動(dòng)機(jī)研究和發(fā)展經(jīng)費(fèi)占銷售額的15%左右,在10 億美元上下?,F(xiàn)在研制一臺(tái)大、中型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)費(fèi)高達(dá)15 億~30 億美元 |
研制周期長(zhǎng) | 以美國(guó)第四代發(fā)動(dòng)機(jī)F119 為例,技術(shù)研究和零部件試驗(yàn)經(jīng)過了15 年以上時(shí)間,從型號(hào)驗(yàn)證機(jī)一直到生產(chǎn)加工用了16 年 |
試驗(yàn)、改進(jìn)多 | 主要零、部件和系統(tǒng)試驗(yàn)占總試驗(yàn)時(shí)間的90%以上,全臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)總時(shí)數(shù)可達(dá)2~4 萬小時(shí)。 |
表2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)
發(fā)動(dòng)機(jī)類別 | 性能特點(diǎn) |
戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) | 推重比由2 提高到10; 可靠性:空中停車率為0.01~0.50/1 000 發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí) 使用壽命:整機(jī)定型要求通過4300~6000 個(gè)戰(zhàn)術(shù)空軍循環(huán)試驗(yàn),相當(dāng)于平 時(shí)使用10 多年,熱端零件壽命達(dá)到2000h,冷端零件壽命4000h |
民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) | 最大推力已超過50000 daN; 起飛耗油率從50 年代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)1.0 kg/(daN·h)下降到0.35~0.40kg/(daN·h); 空中停車率為0.002~0.020/1 000 發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí); 熱端部件壽命達(dá)到7000~10000 h ,整機(jī)的機(jī)上不拆卸壽命 15000~16000h,最長(zhǎng)超過40000h |
直升機(jī)用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī) | 功重比從2kW/daN提高到6.8~7.1 kW/daN |
表3 三類渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) | |||
參數(shù) | 第三代 | 第四代 | 第五代 |
總壓比 | 22~32 | 25~35 | 25~40 |
渦輪前溫度(K) | 1540~1750 | 1800~1950 | 2000~2200 |
涵道比 | 0.3~1.1 | 0.2~0.5 | 0.15~0.35 |
運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) | |||
參數(shù) | 70和80年代 | 90年代 | 21世紀(jì)初 |
涵道比 | 4~5 | 6~9 | 10~15 |
風(fēng)扇壓比 | 1.7 | 1.5~1.6 | 1.3~1.4 |
總增壓比 | 25~30 | 38~45 | 50~75 |
渦輪前溫度(K) | 1500~1570 | 1570~1800 | 1850~2100 |
直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) | |||
參數(shù) | 第三代 | 第四代 | 第五代 |
總壓比 | 8~14 | 13~15 | 16~26 |
渦輪前溫度(K) | 1270~1370 | 1400~1500 | 1500~1850 |
表4 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)
年代 | 1940-1949 | 1950-1959 | 1960-1969 | 1970-1979 | 1980-2000 | 2020年預(yù)計(jì) | |
機(jī)種 | 渦噴 | 渦噴、渦槳、渦軸 | 渦噴、渦槳渦軸、渦扇 | 渦噴、渦槳渦軸、渦扇 | 渦噴、渦槳渦軸、渦扇 | 渦噴、渦槳渦軸、渦扇 | |
新技術(shù) | 結(jié)構(gòu) | 軸流式壓氣機(jī)、雙轉(zhuǎn)子、雙位噴管 | 可調(diào)靜子、氣冷渦輪、加力燃燒室 | 跨聲速壓氣機(jī)、環(huán)管燃燒室、可調(diào)噴管、進(jìn)/發(fā)匹配航改燃機(jī) | 寬弦葉片、環(huán)形燃燒室、三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)完整性、單元體結(jié)構(gòu) | 空心風(fēng)扇葉片、整體葉盤、雙級(jí)燃燒室、對(duì)轉(zhuǎn)渦輪轉(zhuǎn)子、矢量噴管 | 主動(dòng)流動(dòng)控制、多電發(fā)動(dòng)機(jī)、多點(diǎn)燃油噴嘴、無盤轉(zhuǎn)子 |
控制方式 | 數(shù)字電子控制 | 全權(quán)數(shù)字電子控制 | 飛行-推進(jìn)綜合控制 | ||||
研發(fā)技術(shù) | 模擬高空試驗(yàn) | 核心機(jī)途徑、斷裂力學(xué) | 視情維修、加速任務(wù)試驗(yàn) | 計(jì)算流體力學(xué)、壽命期成、本循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)、部件級(jí)數(shù)值仿真設(shè)計(jì)、CAD/CAM | HCF 設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)預(yù)診斷和狀態(tài)管理、推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)值仿真設(shè)計(jì) | ||
性能指標(biāo)趨勢(shì) | 馬赫數(shù)3 | V/STOL、輕量設(shè)計(jì) | 高推重比(8)、高涵道比(4~8) | 超聲速巡航 | 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、智能發(fā)動(dòng)機(jī)、超微型發(fā)動(dòng)機(jī)、超高推重比(20)、超高涵道比(10~15)、超聲速STOVL、經(jīng)濟(jì)承受性設(shè)計(jì) | ||
材料 | 鈦合金 | 鎳基合金 | 低溫復(fù)合材料、定向 凝固渦輪葉片、粉末冶金渦輪盤 |
單晶渦輪葉片、隔熱涂層 低溫復(fù)合材料、低應(yīng)力陶瓷 |
高溫燃料、 金屬間化合物、高溫復(fù)合材料、陶瓷和碳碳材料 |
表5 國(guó)外主要軍用戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)配套情況
戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)型 | 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) | 發(fā)動(dòng)機(jī)制造商 |
F16 | F100-PW-200 | PW |
F/A-18 | F404-GE-400/F414 | GE |
F/A-22 | F119 | PW |
F-35 | F135 | PW |
陣風(fēng) | M88-2 | 法國(guó)斯奈克瑪 |
幻影2000 | M53-P2 | 法國(guó)斯奈克瑪 |
臺(tái)風(fēng)EF2000 | EJ200 | 歐洲發(fā)動(dòng)機(jī)公司 |
SU27 | AL-31F | 俄羅斯 |
SU35 | AL-37F | 俄羅斯 |
伊爾76 | D-30KP-2 | 俄羅斯 |
C17 | PW2040 | PW |
表6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)外的差距
國(guó)內(nèi) | 國(guó)外 |
配套第三代飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)2005 年設(shè)計(jì)定型,典型型號(hào):太行 | 美國(guó)配套第三代飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)分別在1974 年、1985 年服役,典型型號(hào):F100、F110 |
大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛立項(xiàng)開始研制 | 美國(guó)70 年代初投入使用。典型型號(hào):TF39-GE-1A 、JT9D-3 |
通過引進(jìn)國(guó)產(chǎn)的WZ8 發(fā)動(dòng)機(jī)90年代投入使用 | 70 年代法國(guó)海豚直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)阿赫耶1C 投入使用 |