太行变循环发动机或完成试验,中小型航空发动机的应用

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  这些成果和产品,与该院叶轮机试验研究室员工的攻坚风采、市场理念紧紧地联系在了一起。这个研究室,就是一个航空叶轮机零件、部件试验及其试验技术研究、试验设备设计的专业科室,同时又是院里一个民品研发主力单位。

该变循环发动机的关键部件:核心机驱动风扇由某现有高压压气机的第1级设计修改而来,与后面的多级高压压气机共同组成压缩系统,用于由现有发动机发展得到的变循环技术验证平台。在该压缩系统中,CDFS
为单级,由进口可调导叶、转子、静子3排叶片组成,高压压气机为8级,无进口导叶。由于我国现役自行研制生产的的”太行”涡扇发动机为9级高压压气机,另一种涡扇型号:”秦岭”涡扇发动机的高压级为12级,因此该变循环技术验证平台很可能是在”太行”涡扇发动机上改进而来。

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Application,Market and Key Technology of Mid-Small
Aero-Engine尹泽勇5000千瓦级以下涡轴/涡桨、活塞发动机及50千牛级以下涡扇、涡喷发动机称为中小型航空发动机。这种发动机在世界航空发动机市场中产量份额高达80%,产值份额为50%左右。这表明它们在航空高新技术领域中占有举足轻重的地位,具有广泛的应用和发展前景,对其关键技术要给予特别关注目前航空发动机的推力/功率和尺寸不断增加,发动机变得越来越大;但另一方面,中小型和微小型航空发动机技术也在不断发展,其推重比/功重比、耗油率、可靠性、维修性、全寿命期费用等指标都在不断改善,使其变得越来越精致、越来越好用、越来越经济、应用范围也越来越宽阔。应用范围航空发动机中的涡轴/涡桨发动机,除艾利逊公司研制的6000千瓦级AE2100涡桨发动机、T701-AD-100涡轴发动机以及前苏联伊夫琴柯设计局研制的7000千瓦级Д-136涡轴发动机外,其他均为5000千瓦级以下。从发动机气动热力和结构参数等方面考虑,与5000千瓦级以下涡轴/涡桨发动机有相当多技术共性的涡扇/涡喷发动机的推力大致在50千牛以下。从我国航空发动机技术现状及近期发展来看,短期内没有推力超过200千牛的国产大型发动机,因此,本文将5000千瓦级以下涡轴/涡桨、活塞发动机及50千牛级以下涡扇、涡喷发动机称为中小型航空发动机。
表1列出了中小型航空发动机的主要应用范围。可以看出,不论是在军用还是民用航空领域,中小型航空发动机作为旋翼机、各种固定翼飞机以及无人驾驶飞行器的动力,用途非常广阔。市场前景根据对2000~2009年世界航空发动机市场前景预测,表2分类列出了大型和中小型航空发动机的市场份额。可以看出,中小型航空发动机在世界航空发动机市场中的产量份额高达80%,产值份额为50%左右。这表明中小型航空发动机技术在航空高新技术领域中占有举足轻重的地位。发展趋势作为航空动力”始祖”
的活塞发动机早已不是航空发动机技术发展的”主流”,但由于活塞发动机具有结构简单、操作简便、维护方便及价格便宜的优势,这种发动机,尤其是转子发动机及涡轮增压对置式活塞发动机仍不失为小型通用航空飞行器及无人机的可选动力。
涡桨及涡喷发动机均于上个世纪40年代开始出现,都经历了几代发展历程。但随着涡扇发动机技术的快速发展,中小型涡扇发动机的耗油率、推重比及全寿命期费用等指标明显优于中小型涡喷发动机,见表3。在降低噪音、提高舒适性方面,则明显优于涡桨发动机。因此,上世纪80年代以后,中小型涡扇发动机开始逐步取代涡桨及涡喷发动机。事实上,上世纪80年代后,国外新研涡桨发动机很少,艾利逊公司和加拿大普惠公司研制了少数几种改型的涡桨发动机,其核心机也是采用涡扇或涡轴发动机的核心机。同时,国外主要航空发动机厂商也已基本停止发展、甚至停止生产大型和中型涡喷发动机。但是,微小型涡喷发动机作为无人驾驶飞行器动力仍然有很大的市场需求,新的技术被用于小型无人机和导弹用涡喷发动机的发展,小型及微型涡喷发动机正进一步朝着重量轻、体积小、低成本和高性能的方向发展。正是由于中小型涡扇发动机具有与涡喷及涡桨发动机相比十分明显的技术优势和市场优势,而涡轴发动机则具有其他类型发动机不可替代的适用于旋翼机的技术特征和市场范围,因此,目前中小型涡轴发动机及中小型涡扇发动机技术的发展势头不减。不远的将来,涡轴发动机的压比将达到20~25,涡轮前温度将达到1600K~1900K,功重比将达到12左右,耗油率将降到0.2千克/千瓦·小时。对于中小型涡扇发动机,其压比则可达到30~35,涡轮前温度将达到1700K~2000K,推重比可达到15左右,耗油率可降到0.35千克/10牛·小时以下。发动机的经济可承受性则可提高数倍。关键技术研究除型号研制之外,国外航空发动机产商针对中小型涡扇和涡轴发动机技术的发展开展了大量关键技术研究工作,美国从上世纪80年代末即投入50亿美元巨资分三个阶段实施的IHPTET计划就是其中的一项。这些工作的重点是研究叶轮机非定常流计算技术、高负荷高效率高失速裕度风扇/压气机技术、高热容低污染排放燃烧室技术、高效冷却涡轮叶片机技术、对转涡轮技术、发动机数值模拟技术、数字控制系统等关键技术。在IHPTET计划结束以后,美国计划从2005年开始实施VAATE计划,旨在提高发动机性能的同时,更加强调降低成本,为下一代有人和无人飞行平台发展通用、智能和耐久的推进系统。VAATE计划前期将开发一种通用的核心机以提高发动机的总经济性,在后期则将研制一种新颖、紧凑、隐身、免维修/抗损伤的发动机。要加快发展中小型航空发动机,除加强上述航空发动机领域共有的关键技术研究之外,还应针对中小型航空发动机特点加强如下关键技术的研究工作。1.
中小型航空发动机大多采用轴流/离心组合式压气机,涡轴发动机还可采用多级离心压气机。这就要求加强中小型发动机特有的离心压气机技术、轴流级与离心级间优化匹配技术以及离心级与离心级间优化匹配技术的研究。2.
中小型航空发动机具有比大型航空发动机更高的转速,例如涡轴发动机及小推力涡扇发动机核心机的转速常高达4~6万转/分。这就要求加强高速转子动力学分析及试验技术研究,即针对中小型发动机转子工作范围内不可避免地存在多阶临界转速的特点,研究并选择最佳的支撑刚度及阻尼系数,采用新的减振措施,研究小刚度细长转子特有的高速甚至全速动平衡技术。3.
中小型航空发动机相对较小的几何尺寸及空气流量造成气动、结构、强度等方面的”小尺寸效应”及”小流量效应”问题。这就要求加强研究小尺寸、小流量、小雷诺数条件下受附面层和叶尖间隙影响更大的压气机、涡轮、整机气动热力技术,小尺寸小冷气量下的涡轮冷却、叶尖间隙精确控制与发动机封严技术,小尺寸高温高热容强度燃烧室技术,小尺寸与结构紧凑布局技术和在小尺寸小流量高转速下的特殊测试技术及附件技术等。4.
针对高空及高高空无人飞行平台的高空小马赫数工作特点,应加强中小型发动机在高高空条件下的稳定燃烧、低雷诺数效应带来的压气机和涡轮性能问题,以及有关系统高空工作等特殊问题的技术研究。5.
为减少中小型发动机的总研发成本,应发展通用核心机技术,它既可用作中小型涡扇、涡桨、涡轴发动机的核心机,也可用于发展小型涡喷发动机。6.
中小型航空发动机大量采用整体结构件,如整体式轴流叶轮、离心叶轮及复杂形状整体机匣等,同时这些构件的几何尺寸又相对较小。这就要求加强小尺寸整体构件及细长构件等的数控加工及其他相关的精铸、特种焊接等加工技术的研究。7.
除上述共同的关键技术外,涡轴发动机还存在因防砂要求而涉及气固二相流的进口粒子分离技术,以及在数控系统和试验设备中必须考虑旋翼、尾桨及减速器等机械负载因素等引发的相关关键技术问题。

  航空叶轮机,就是涡喷、涡扇航空发动机中的旋转部件。这些部件相互匹配,形成工作循环,使空气和燃气能量转化为牵引、推进飞行器的推动力。室自组建40多年以来,开创了我国航空科研领域的多个“第一”。第一个突破和掌握其试验技术,成功用于并完成我国首台中推涡扇发动机用七级高压压气机试验验证。在平面叶栅性能试验方面与德国宇航院合作,成为国内第一个在航空动力科研行业与西方同行竞技,并在该领域赚到第一笔外汇的单位。第一次攻克对转涡轮试验技术,成功完成国内首次全尺寸对转涡轮性能试验;自主设计与在建国内第一台超大功率加温加压压气机试验器,为追赶世界先进压气机试验技术奠定坚实基础。

该变循环发动机技术验证平台比较有特色的的地方是:核心机驱动风扇没有采用开闭两种状态来改变发动机涵道比,而仅仅是通过改变可调导叶关闭角度和可调静子的方法来实现双涵道设计,可调导叶关角度最大变化范围可达20°~30°。仅仅通过改变关角度实现了发动机涵道比的变化,而F120变循环发动机则采用了改变开角度和关角度的方法来改变涵道比。它的优点是当发动机工作模式为涡喷状态时,能满足发动机喘振裕度20%的指标,而采用开闭模式虽然涡喷和涡扇模式下工作效率最佳,但很难满足发动机喘振裕度要求。发动机喘振裕度越高,战斗机就越“皮实”,发动机熄火的概率越低。

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  中航工业涡轮院科技展览馆,那一个个状似桨叶的叶片和由叶片组成的一台台风扇、压气机、涡轮,在向人们诉说着我国自主发展航空动力、突破关键技术的成果。还有,基于这类航空叶轮机技术衍生的系列射流风机,反映了涡轮院“寓军于民”的发展战略。

然而在这些亚声速和超声速的混合飞行任务中,传统的涡喷发动机或者涡扇发动机都很难在所有飞行状态下均保持良好的性能指标,同时兼顾亚声速和超声速飞行要求,因此不得不在设计中对重要的设计参数选取进行折衷。这既加大了航空发动机的研制难度,又不利于发挥发动机应有的潜能。例如美国研制生产的F119小涵道比涡扇发动机具有不开加力状态下的超音速巡航能力,但付出了在此工作状态下耗油量明显偏大的代价。并且由于研制难度极大,在F119发动机成功装备美军二十多年后的今天,仍然没有一个国家装备同类型的涡扇发动机。

  军事专家雷泽告诉记者,作为我国第一种推重比10一级航空发动机,其研制难度与涡扇-10这类三代航空发动机明显不在一个等级上,用于推重比10一级发动机的风扇和压气机整体叶盘结构,用于更高推重比的风扇和压气机、甚至涡轮的整体叶环结构,与涡扇10有这个天壤之别,与常规的叶片和盘连接结构相比,整体叶盘、叶环结构除能使风扇、压气机和涡轮等部件的性能明显提高、寿命延长、可靠性大大提高以外,最突出的优势是能够减轻相应部件重量,叶盘结构可以减轻30%或更多。正在研制的铝钛基复合材料制造鼓筒或无盘压气机转子,可减重70%左右,效果十分明显,然而这些新技术带来的还有极大的研制风险,为了提高发动机推重比,增强材料强度或降低许用工作应力裕度,都会提高发动机构件的工作应力水平。

  今天,在成都-九寨公路上1公里多长的牛角垭隧道中,自驾游者照常能呼吸到山中那甜丝丝的“富氧”;列车通过宝-成线上秦岭山区最长的15公里隧道时,旅客同样觉得空气清新。这就是叶轮机室设计制造、安装在隧道内的特种射流风机,制造出的呼吸舒畅的环境。今年,室内研发的吹扫车等民用产品也实现了销售。室里还积极利用自己在航空叶轮机非标试验设备设计与建设的经验,承揽到了多家企业、高校和业界院所的试验台设计和建设项目。同时,作为牵头单位,承担了首台套国产燃驱压缩机组研发。

而据国内某家权威媒体在2018年发表的公开文章称,曾研制成功“昆仑”涡喷发动机、”太行”涡扇发动机的沈阳发动机研究所在自适应变循环航空发动机取得了重大了突破,已完成变循环特有的关键技术整机验证。近日,国内某专业媒体首次公开披露了国产变循环发动机验证机的简况,为我们初步揭开了其神秘“面纱”。该文称,为了开展变循环发动机关键技术的研究,在我国研制的某常规发动机的基础上,增加了部分变循环特征部件,搭建了一个变循环发动机技术验证平台。与先前猜想的不同的是,由于国内对变循环发动机的研究起步较晚,因此并没有采用与美国第五代变循环发动机AETD项目相同的三外涵变循环发动机方案,而是采用了和F120发动机相同的带核心机驱动风扇级(Core
Driven Fan Stage,CDFS)的双涵道变循环发动方案。

  近日,航发副总经理王之林到我国航发动力所检查重点型号研制工作,王之林在动力所现场察看了重点型号试车过程,详细了解了试车现场工作流程、异常情况处置、问题记录与反馈等现场管理工作情况,并与技术人员进行面对面交流。他指出,要加强试验现场管理,提升可视化管理水平,有效提高工作效率;同时从工作流程上推进融合;要坚守当前目标不动摇,不断提升技术成熟度,坚定不移完成型号任务;要做到试车任务均衡开展,加强管理、制定措施,确保试车任务顺利完成。军事专家雷泽告诉记者,根据动力所研制工作和我国各型号发动机型号发展的规律,这个接受视察的重点型号不可能是涡扇-10B或其发展型,因为该机已经上歼-10C和歼-20战机上试飞。

  这个研究室,拥有系统配套的员工培养制度。实行“季度点评”和“年终考核”,检验入职10年以内员工的技术素质提升情况。而入职3~5年的员工可以重新选择专业,完成学习、成长任务的权重大于完成科研任务;专家、老同志和作为师傅的员工完成传帮带任务的权重大于自己承担的项目,并与个人绩效挂钩。

在发动机整体设计方面,该发动机借鉴了美国YF120
发动机的技术特点,取消了高压压气机进口可调导向器,CDFS 进口导叶、CDFS
静子、高压压气机前2级静子及前涵道引射器面积均可调节,采用了CDFS、前涵道引射器、高压压气机气动一体化设计,并在国内率先完成了该类联合压缩部件的试验验证。试验结果表明,发动机实现了多工况双涵道比条件下的性能兼顾,在同一转速下的流量调节范围达到15%,实现了预计的涵道比调节范围,CDFS
与高压压气机匹配良好,满足总体方案技术指标的要求。从技术指标来看,成功实现了发动机涡喷和涡扇模式的转换,具有良好的超音速巡航潜力。军事观察家认为,如果涡扇15一旦遇到重大挫折而迟迟不能装备部队时,该变循环发动机技术验证平台可以像美国的F120
发动机一样,作为一个具有较高成熟度的备选动力顶替应急。(作者署名:小鹰说科技)

  由于应力水平的提高,使构件对设计误差、材质的内部缺陷、发动机使用条件的变化及制造公差等更加敏感,也就是说,为了达到推比10一级的推力要求,发动机结构和材料的要求就越来越高,试验的失败可能性随时可能发生。此外,采用高叶尖速度、高温、高压等方式提高发动机气动性能,使现代发动机的更多的部件受到了寿命的限制。实际上,传统的航空发动机材料的发展已经接近极限水平,潜力有限,很难满足未来军用航空发动机对推重比的更高要求。

  一个勇于担当、创造“第一”的团队。

与人们想象的不同,传统的涡轮和涡扇发动机只具有相对固定的热力循环,在某个有限的飞行范围内具有相对良好的性能指标。例如涡轮喷气发动机结构相对简单,涵道比较小,它的优势是大马赫数飞行时耗油率低,单位推力大,超声速性能好,劣势是亚声速耗油量大;而涡轮风扇发动机涵道比较大,在亚声速飞行时空气流量大、排气速度低,所以推进效率高、耗油率低、噪声低,具有很好的亚声速飞行性能,但超声速飞行时耗油量大。现代空战的发展需要未来作战飞机在宽广的工作范围和亚音速、超音速这两种飞行状态下都必须保持良好的作战性能,同时又在加速、爬升或超声速巡航状态,航空发动机能够提供足够的推力。

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  室里组成攻关团队,针对某重点型号压气机试验表现出来的喘振裕度不足问题,开展技术攻关,找出了试验设备局部缺陷影响压气机试验结果的原因。通过对设备相关系统的改进设计和试验验证,解决了压气机试验喘振裕度不达标的技术难题。在长期科研试验过程中,相继填补了级间流场测试技术、压力畸变试验技术和钛火试验技术等多项国内研究空白,多次荣获部级科技成果奖。

变循环发动机有可能是解决这一难题的最佳选择。据国内外公开资料介绍,变循环发动机是一种具有优秀综合性能的推进系统,它把涡喷发动机超声速性能和涡扇发动机的亚声速性能综合到一台发动机上,通过多个部件/机构的几何调节来实现不同工作模式的转换,扩大了涵道比变化范围。F119发动机的竞争对手:已正式定型但未装备部队的,推重比10一级的F120发动机就采用了这种变循环概念,它也是迄今为止唯一经过飞行试验的变循环发动机。目前,美、英等国依托先进航空发动机技术预研计划,在继续开展更为深入的变循环发动机技术研究工作。有消息表明,美军下一代战斗机用航空发动机的两个选型方案:GE通用电气公司(F120发动机的研制者)研制的XA100和普惠公司(F119和F135发动机的研制者)研制的XA101
均采用了变循环技术。

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  在完成科研试验主业的同时,室里还利用专业人才,把试验室里的科技成果转化成有市场需求的产品,把航空叶轮机技术用于民用叶轮机产品开发。近些年,室里研发的通风机、吹雪风机、矿用主扇/局扇风机已成功用于公路、铁路隧道和矿山通风工程。

  当然也更不可能是运20的涡扇-20发动机,因为该发动机也即将从伊尔76飞行台登上运20飞机,一些外媒刊登的照片中,西安阎良航空城运20试飞场近期出现两架没有安装发动机运20飞机,应该是正在等待安装涡扇-20发动机。军事专家告诉记者,通过比对,我们发现这个重点型号就是涡扇-15原型机试车,作为歼20发动机的配套发动机项目,涡扇-15代表了我国军用大推力发动机的最高水平,同时也是我国发展航空发动机领域最艰难的型号项目,涡扇-15大量采用了一系列新技术,自2006年核心机立项研制以来,到2011年验证机交付,再到2016年工程验证机地面试车试验完成,以及后来的原型机立项研制,已经经历了12个年,其中涡扇-15发动机在核心机阶段出现的各种问题、江油基地地面高空台试车发现振动问题,都一一解决,但四代机动力的研制难度由此可见一斑。为什么涡扇-15发动机研制如此困难呢?

  一个学习、成长环境令人羡慕的基层单位。

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  室里常年开办“叶轮试验讲坛”,用于交流和分享员工从工作实践中的技术经验、方法和工作中的困惑。同时,邀请高校教授和院里专家来室授课。三年来,室每年举办各类技术培训超过20次,参培人员超过150人次。

  最后,发动机推重比的不断提高,特别是重量的不断减轻,除了采用新结构外,已经越来越多地依赖于比强度高、密度低、刚度高和耐温能力强的先进材料,例如陶瓷基复合材料、碳碳复合材料、高性能单晶等,而先进材料这一块恰恰又是我们发动机技术发展最薄软的一环,所以涡扇-15发动机坎坷是比较正常的情况,总之,发动机发展必须遵守客观规律,实际上没涡扇-15发动机在解决振动问题之后,已经在原型机研制上取得重大突破,此次试车应该是上机前的准备之一,相信在7年内涡扇-15作为歼20发展型战机的首选动力,一定会实现批量装备。(作者署名:利刃军事)

  他们的人才队伍得到了快速成长,形成了层次、结构合理的梯队,一批年轻员工成为了主试验员或项目负责人。室里89名员工中,28人拥有高级职称。其中有中航发动机首席技术专家2名、一级技术专家1名、二级技术专家2名;有中航发动机首席技能专家1名,二级技能专家2名。这个室还走出了多位行业知名的叶轮机试验技术专家,成为国内这一领域的领军人物。

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  “十二五”以来,室里试验任务年均增幅近50%,非航空产品研发任务也在年年攀升,同时还承担了绵阳新基地建设任务。而员工是“一人多岗”,要参与多个试验设备和项目的工作。室班子认为,只有不断提升团队攻坚的意志力和市场意识,坚持培养员工形成的技术内生力,才生成了战胜任务繁重、技术攻坚挑战的方法与动力。(向宏辉
代秋林)

  一个追逐市场经济大潮,践行“实验室经济”理念的群体。

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