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我問一下軍用渦扇發(fā)動機(jī)?

我問一下軍用渦扇發(fā)動機(jī),在不加力時尾噴的推力占到總推力的多少?在加力時又占到多少? 風(fēng)扇占到輸出推力的多少?: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-06-08

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現(xiàn)代典型軍民用渦扇發(fā)動機(jī)的先進(jìn)技術(shù) Advanced Technologies of Typical Military and Commercial Turbofan Engine 沈陽航空發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所梁春華摘要:本文綜述了F119、YF120、F100-PW-229A、F110-GE -132、F414增推型、GE90、PW4084、"遄達(dá)"800發(fā)動機(jī)等所采用的一些先進(jìn)技術(shù)，分析了這些技術(shù)的主要特點。關(guān)鍵詞:渦扇發(fā)動機(jī) 軍用發(fā)動機(jī) 民用發(fā)動機(jī) 20世紀(jì)70~80年代，美國、英國、俄羅斯、法國等國家研制了推重比7~8的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)。這些現(xiàn)役主力戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)主要有美國的F100、F110和F404發(fā)動機(jī)，英國的RB199發(fā)動機(jī)，俄羅斯的AL31F發(fā)動機(jī)，法國的M88發(fā)動機(jī)等。20多年來，這些發(fā)動機(jī)不斷采用新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和改型，已經(jīng)發(fā)展了多個系列，目前推重比已達(dá)到8.7~10.0，例如F100-PW-229A、F110-GE -132、F414增推型、AL37FU發(fā)動機(jī)。20世紀(jì)90年代，西方國家研制了推重比10級的新一代軍用加力式渦扇發(fā)動機(jī)，包括美國的F119和YF120、西歐4國的EJ200、法國的M88-2和俄羅斯的AL41F發(fā)動機(jī);還研制了新一代的先進(jìn)民用渦扇發(fā)動機(jī)，主要包括GE90、PW4084、"遄達(dá)"800和CFM56-7發(fā)動機(jī)等。這些發(fā)動機(jī)的共同特點是，在確保提高發(fā)動機(jī)可靠性、耐久性和可維護(hù)性的同時，采用預(yù)先研究計劃開發(fā)的新材料、新結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的氣動熱力學(xué)設(shè)計技術(shù)，大大提高了發(fā)動機(jī)的推力，減輕了發(fā)動機(jī)乃至飛機(jī)的質(zhì)量，從而提高了發(fā)動機(jī)的性能。一、風(fēng)扇和壓氣機(jī)技術(shù) 1.前、后掠葉片前掠和后掠葉片是按葉片前緣法平面與當(dāng)?shù)貋砹鞯姆较虺梢豢臻g夾角設(shè)計的先進(jìn)葉片。該葉片能大大降低跨聲速風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的葉尖進(jìn)口相對馬赫數(shù)的法向分量，從而降低葉片的激波損失，提高風(fēng)扇的效率。另外，采用前掠葉片能降低端壁和附面層的損失，從而進(jìn)一步提高效率，還能使葉片端區(qū)負(fù)荷后移，當(dāng)反壓升高時，葉中部分的波系首先被推出前緣，但葉尖部分激波還在槽道內(nèi)，不易引起失速。 1991年，由美國海軍、空軍和普惠公司共同投資，研制出了2級后掠葉片的整體葉盤風(fēng)扇，與綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)(IHPTET)計劃的基準(zhǔn)風(fēng)扇相比，效率提高了5%，級壓比增加了30%，效率和失速裕度都比當(dāng)時最先進(jìn)的風(fēng)扇好。 20世紀(jì)90年代中期，由美國空軍、海軍和通用電氣公司共同投資，設(shè)計并試驗了前掠氣動研究試驗件(GESFAR)風(fēng)扇，結(jié)果表明:與現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇相比，該風(fēng)扇不但質(zhì)量大大減輕，氣動性能和穩(wěn)定性也得到了較大的提高。1996年，通用電氣公司為F414增推型發(fā)動機(jī)研制了2級整體葉盤結(jié)構(gòu)的前掠葉片風(fēng)扇，使流量增加了10%，壓比提高了10%，部件數(shù)也大大減少。目前，通用電氣公司在IHPTET計劃支持下驗證了其低展弦比前掠風(fēng)扇葉片具有氣動效率高、喘振裕度大、抗進(jìn)氣畸變能力強(qiáng)的特點。 20世紀(jì)末，CFM國際公司在TECH56計劃下研制了空心和實心兩種低展弦比掠形風(fēng)扇葉片，試驗結(jié)果比預(yù)期的要好。還研制了轉(zhuǎn)子葉片為前掠、靜子葉片為弓形、前兩級采用整體葉盤結(jié)構(gòu)的6級高壓壓氣機(jī)，使壓比達(dá)到了15，葉片數(shù)減到了968片，失速裕度達(dá)到24%。英國羅-羅公司利用一個使葉片掠形達(dá)到最優(yōu)的三維氣動力學(xué)分析軟件，設(shè)計了直徑為2.79m的掠形葉片風(fēng)扇。該葉片前緣呈短彎刀形，使進(jìn)入發(fā)動機(jī)的氣流沿葉片展向平穩(wěn)地減速，而不是突然地減速。即使葉尖在超聲速條件下工作，激波也是斜激波，從而提高了葉片的效率。另外，該掠形葉片采用超塑成形/擴(kuò)散焊接的低展弦比空心結(jié)構(gòu)，大大減輕了質(zhì)量，增強(qiáng)了風(fēng)扇的抗鳥撞能力。與不掠風(fēng)扇比，該掠形風(fēng)扇能使空氣流量提高10%，葉片進(jìn)口馬赫數(shù)降低10%，抗鳥撞能力增強(qiáng)10%，巡航效率也有所提高。試驗證明，該掠形葉片設(shè)計是可行的。 2.整體葉盤整體葉盤采用先進(jìn)工藝將葉片和盤加工成一體，去掉常規(guī)連接的榫頭和榫槽，具有大大簡化結(jié)構(gòu)、顯著減輕風(fēng)扇和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、提高風(fēng)扇和壓氣機(jī)的性能、延長轉(zhuǎn)子的壽命和明顯提高可靠性等特點。通用電氣公司已經(jīng)將整體葉盤結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了YF120、F110-132、F414增推型以及F136發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)上。20世紀(jì)90年代初，普惠公司將整體葉盤結(jié)構(gòu)應(yīng)用于F119發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)上，之后又設(shè)計并研制了帶后掠葉片的整體葉盤結(jié)構(gòu)的2級風(fēng)扇，并在IHPTET計劃驗證發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了試驗驗證，目前已準(zhǔn)備應(yīng)用到F119和F100-PW-229A發(fā)動機(jī)上。羅-羅公司也將整體葉盤轉(zhuǎn)子用于由英國、德國、意大利和西班牙聯(lián)合研制的EJ200發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)和寶馬?羅-羅公司研制的BR715民用大流量渦扇發(fā)動機(jī)上，并正在研制強(qiáng)度高、剛性大、密度小的硅碳增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料的整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子，為EJ200改進(jìn)型發(fā)動機(jī)的推重比在21世紀(jì)初達(dá)到15~20提供技術(shù)支持。 3.復(fù)合材料風(fēng)扇葉片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片除自身質(zhì)量輕以外，還可減輕風(fēng)扇包容系統(tǒng)、風(fēng)扇盤以及整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重量，因而，可實現(xiàn)大涵道比，進(jìn)而達(dá)到降低發(fā)動機(jī)油耗和提高發(fā)動機(jī)效率的目的。 GE90發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片采用復(fù)合材料制造。葉身和葉根由被稱為"大力神"的8551-7/IM7復(fù)合材料制成一體。葉片的壓力面涂有聚氨酯防腐涂層，葉身的吸力面涂有聚氨酯涂層。將鈦合金薄片膠粘在葉片前緣上，以提高葉片抗大鳥撞擊的能力。葉尖與后緣用Kevlar細(xì)線縫合，以避免復(fù)合材料葉片在工作中脫層。葉片的根部為三角形的燕尾形榫頭，榫頭承受壓力的表面涂有低摩擦系數(shù)的耐磨材料。該葉片具有重量輕、成本低、抗顫振、性能好、抗損傷能力強(qiáng)的特點。20世紀(jì)90年代末，通用電氣公司又將復(fù)合材料空心葉片應(yīng)用到增推型F414發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇上。另外，普惠公司正在開發(fā)在鈦梁-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料殼體內(nèi)填充泡沫的風(fēng)扇葉片技術(shù)和全復(fù)合材料風(fēng)扇葉片技術(shù)。 4.空心寬弦風(fēng)扇葉片空心寬弦風(fēng)扇葉片是為減輕風(fēng)扇振動、提高抗外物損傷能力和減輕葉片質(zhì)量而研制的，目前已廣泛地用于V2500、RB211、"遄達(dá)"800、F119、PW4084等軍民用發(fā)動機(jī)上?？招娘L(fēng)扇葉片并不是絕對空心的，在空腔中采用了一些加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。"遄達(dá)"800發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片沿用了羅-羅公司在RB211發(fā)動機(jī)上采用的鈦合金空心夾層結(jié)構(gòu)，但芯部是桁架結(jié)構(gòu)，而不是原來的蜂窩板結(jié)構(gòu)，采用超塑成形/擴(kuò)散焊接工藝加工，這樣使重量減輕了15%。F119和PW4084發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片沿用了普惠公司為E3發(fā)動機(jī)研制的鈦合金空心結(jié)構(gòu)，葉片中空帶肋但無芯部，也采用超塑成形/擴(kuò)散焊接工藝加工。 5.弓形靜子弓形靜子能夠產(chǎn)生徑向力，降低吸力面拐角處氣流的擴(kuò)散速度，從而推遲拐角氣流的分離，減少端壁損失，提高壓氣機(jī)靜子核心流段的壓升能力，使壓氣機(jī)在整個流量范圍內(nèi)壓力特性更穩(wěn)定，效率大大提高。目前，F(xiàn)119、PW4084、F414增推型、F110-GE-129EFE都采用了三元?dú)鈩釉O(shè)計的弓形靜子。二、燃燒室技術(shù) 1.徑向分級低排放燃燒室徑向分級燃燒室為雙環(huán)腔燃燒室結(jié)構(gòu)，具有排放低、火焰筒的長/高比合理、長度短、重量輕、轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題少和防積炭等特點。通用電氣公司開發(fā)的徑向分級雙環(huán)腔燃燒室在發(fā)動機(jī)起動/慢車狀態(tài)，只向外環(huán)腔供油，此時外環(huán)腔油氣比高、氣流速度低、燃燒時間長，不僅降低了CO/CH排放水平，還提高了起動性能和空中點火能力，擴(kuò)展了熄火邊界;在其他工作狀態(tài)，同時向兩個環(huán)腔供油，由于內(nèi)環(huán)腔是按大工況、高速度優(yōu)化設(shè)計的，故頭部的油氣比低、氣流速度高、燃燒時間短，可降低NOx的排放水平，并使燃燒室出口徑向溫度分布更均勻。另外，通用電氣公司正在研制采用宏觀分層技術(shù)噴嘴的雙環(huán)腔預(yù)旋渦混合器燃燒室。 2.軸向分級低排放燃燒室軸向分級燃燒室的原理是不改變空氣分配比，而是調(diào)節(jié)各區(qū)的燃料分配，從而使燃燒溫度維持在一個相對恒定的水平上，并將慢車和起飛狀態(tài)分開，以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)低排放。當(dāng)燃燒室開始工作時，首先將一部分燃料噴到燃燒室的第1燃燒區(qū)，其他的燃油先與空氣混合，再噴入下游的第2燃燒區(qū)或主燃燒區(qū)，以使NOx排放量最低。第1燃燒區(qū)在發(fā)動機(jī)起動至慢車狀態(tài)工作，第2燃燒區(qū)在大功率狀態(tài)下工作。軸向分級燃燒室的優(yōu)點是點火快速可靠、主區(qū)燃燒效率高、燃燒室出口徑向溫度剖面可發(fā)展到一個滿意的水平，并且一旦發(fā)展到滿意的水平就不再變化。普惠公司研制的貧油預(yù)混軸向分級的燃燒系統(tǒng)有3個不同的燃燒區(qū)，每個區(qū)的幾何形狀都是在不同的發(fā)動機(jī)功率范圍和燃料/空氣比下優(yōu)化的。因此，該燃燒室不可能出現(xiàn)貧油燃燒。其控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)向這3個區(qū)精確地分配燃料，以取得準(zhǔn)確的燃料/空氣比，使NOx和CO排放量達(dá)到最少。羅-羅公司也開發(fā)了軸向分級燃燒室，并已將其應(yīng)用到BR715發(fā)動機(jī)上。 3.浮動壁火焰筒浮動壁火焰筒由許多環(huán)形段和隔熱環(huán)連接而成。環(huán)形段背向火焰的一面有對流散熱的凸環(huán)，并有能形成冷卻隔熱氣膜的縫隙。隔熱環(huán)由"浮動瓦片"組成，并用螺栓連接在外環(huán)段上。"浮動瓦片"采用精密鑄造，可以更換。在冷卻隔熱環(huán)的局部噴涂熱障涂層，可以降低部件表面溫度。浮動壁火焰筒具有改善火焰筒壁工作條件、延長火焰筒壽命、改善燃燒室溫度分布等特點。 20世紀(jì)90年代初，普惠公司將浮動壁火焰筒應(yīng)用到V2500發(fā)動機(jī)上，后來又應(yīng)用到了F119軍用發(fā)動機(jī)和PW4084、PW6000等民用發(fā)動機(jī)上。近年來，在IHPTET計劃下，普惠公司又在全環(huán)形燃燒室試驗件上驗證了涂有SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料涂層的"浮動瓦片"和沖擊氣膜冷卻技術(shù)。SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料涂層是一種強(qiáng)化技術(shù)，能避免"浮動瓦片"受腐蝕，提高其耐高溫能力，延長其壽命。而沖擊氣膜冷卻技術(shù)可使浮動壁燃燒室在高溫、高油氣比下工作，獲得均勻的溫度場分布。 4.多孔冷卻火焰筒多孔冷卻火焰筒由高溫合金精密鑄造，未采用常規(guī)的氣膜冷卻環(huán)，而是采用流過火焰筒上不同角度的大量斜孔的兩股氣流進(jìn)行冷卻。兩股氣流流入火焰筒時對其進(jìn)行高效冷卻(相當(dāng)于發(fā)散冷卻)，冷卻效率高達(dá)90%，可使冷卻空氣用量減少40%、燃燒室出口溫度場比較均勻、燃燒室的長度較短。GE90和F414發(fā)動機(jī)均采用了由GTD222合金加工的這種火焰筒。在推力相當(dāng)?shù)陌l(fā)動機(jī)中，GE90發(fā)動機(jī)燃燒室的長度是最短的。三、渦輪技術(shù) 1.對轉(zhuǎn)渦輪對轉(zhuǎn)的高、低壓渦輪能夠減少飛機(jī)機(jī)動飛行時作用于機(jī)匣和飛機(jī)上的陀螺力矩，而且可以取消低壓渦輪導(dǎo)向葉片，使渦輪的零件數(shù)減少、研制和維護(hù)費(fèi)用降低，還可使渦輪結(jié)構(gòu)簡化、尺寸縮短、重量減輕、減少冷卻空氣用量、降低因?qū)蛉~片引發(fā)的氣動損失，進(jìn)而提高渦輪的效率。 F119和YF120發(fā)動機(jī)的高、低壓渦輪都采用對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，但F119沒有取消高、低壓渦輪間的導(dǎo)向葉片，而YF120取消了導(dǎo)向葉片。另外，CFM國際公司在TECH56計劃下研制了兩種對轉(zhuǎn)的高、低壓渦輪，高壓渦輪采用了三維氣動設(shè)計的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片、刷式密封件和先進(jìn)材料，低壓渦輪采用高負(fù)荷氣動葉片。與CFM56發(fā)動機(jī)的高壓渦輪相比，新的高壓渦輪的負(fù)荷提高了15%、葉片數(shù)減少了10%、冷卻空氣用量減少了22%、前緣激波強(qiáng)度降低了50%、效率提高了1%;與CFM56發(fā)動機(jī)的低壓渦輪相比，新的低壓渦輪的葉片數(shù)減少了19%、效率提高了近1%。 2.高效冷卻技術(shù) 針對渦輪前溫度的不斷提高，普惠公司研制了簡單冷卻通道的"超冷"系統(tǒng)，通用電氣公司開發(fā)了內(nèi)部增強(qiáng)冷卻的先進(jìn)冷卻技術(shù)，羅-羅公司研制了傳熱性能很好但工藝復(fù)雜的壁冷的溫控系統(tǒng)。羅-羅公司現(xiàn)已將溫控系統(tǒng)用于"遄達(dá)"800系列發(fā)動機(jī)的高壓渦輪葉片上。 3.尾跡管理技術(shù) 尾跡管理技術(shù)是一種將葉型進(jìn)行時鐘排列的技術(shù)。該技術(shù)能改變尾流/尾流和尾流/葉型的相互作用，改善潛在的不穩(wěn)定流場，降低葉型的不穩(wěn)定氣動負(fù)荷，進(jìn)而達(dá)到提高葉型效率的目的。普惠公司在PW4084發(fā)動機(jī)的高壓渦輪上對第1和第2級靜子葉型和/或第1級和第2級工作葉片葉型進(jìn)行時鐘排列，使工作葉片的效率提高0.3%，靜子葉片的效率提高0.4%。 4.先進(jìn)材料和涂層先進(jìn)材料和涂層可以提高高壓渦輪的耐高溫能力。PW4084發(fā)動機(jī)高壓渦輪采用由第3代單晶PW1487材料加工的葉片，并涂有熱障涂層;F119發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片也采用單晶材料加工;GE90發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片采用ReneN5單晶材料加工，并涂有鋁鉑涂層;F414發(fā)動機(jī)高、低壓渦輪葉片也由單晶材料加工，并涂有物理氣相沉積熱障涂層(PVDTBC);EJ200發(fā)動機(jī)高壓渦輪采用了由單晶材料加工的葉片。目前，普惠、通用電氣和羅-羅等公司正在開發(fā)更先進(jìn)的材料和涂層。 5.無螺栓擋板技術(shù) 渦輪葉片和盤之間無螺栓擋板連接技術(shù)取消了傳統(tǒng)的將渦輪葉片固定到盤上的螺栓和螺孔，從而減少了輪盤空間的空氣阻力，消除了帶螺栓輪盤產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)，而且結(jié)構(gòu)簡單、安裝容易。20世紀(jì)70年代后期，通用電氣公司就開始開發(fā)無螺栓擋板技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展成熟。四、加力燃燒室和噴管技術(shù) 1.加力燃燒室技術(shù) 加力燃燒室是軍用發(fā)動機(jī)所獨(dú)有的部件。通用電氣公司的F120、F414和F110-GE -129EFE發(fā)動機(jī)先后采用了徑向加力燃燒室。徑向加力燃燒室由混合器、壁式火焰穩(wěn)定器、徑向隔熱罩/火焰穩(wěn)定器、中心體和噴油桿等構(gòu)成。這一設(shè)計降低了發(fā)動機(jī)的復(fù)雜性，改善了維修性，提高了可靠性，同時由于采用了先進(jìn)冷卻技術(shù)而延長了部件壽命。 2.推力矢量噴管技術(shù) 推力矢量噴管是通過改變排氣方向產(chǎn)生非軸向力的技術(shù)，被譽(yù)為航空領(lǐng)域革命性的技術(shù)。20世紀(jì)70年代以來，美國、俄羅斯、西班牙等國家研究了球形收斂調(diào)節(jié)片推力矢量噴管(SCFN)、俯仰/偏航平衡梁推力矢量噴管(P/YBBN)、軸對稱推力矢量噴管(AVEN)、具有俯仰功能的軸對稱推力矢量噴管(AL37-FU發(fā)動機(jī))和三環(huán)定向推力矢量噴管等多種推力矢量噴管，并于90年代進(jìn)行了地面和飛行驗證。目前，F(xiàn)119發(fā)動機(jī)(配裝F22飛機(jī))的二元俯仰推力矢量噴管和AL37-FU發(fā)動機(jī)(配裝SU-37飛機(jī))的俯仰軸對稱推力矢量噴管已接近實用。EJ200和F110-132發(fā)動機(jī)也準(zhǔn)備采用推力矢量噴管。五、電調(diào)技術(shù) 通用電氣公司目前在電調(diào)方面研制了高可靠性附件，提高了電子系統(tǒng)的能力。與第2代的全功能數(shù)字式發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)(FADEC)相比，第3代FADEC的輸出能力提高了10倍，存儲能力增加了16倍，計劃用于GE90-115B和GP7000系列發(fā)動機(jī)上。通用電氣公司還開發(fā)了由單馬達(dá)驅(qū)動多倍閥的液壓多倍器，可以取代作動器和復(fù)雜的系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的重量減輕14%，部件數(shù)減少44%，可靠性提高30%以上，現(xiàn)已在GP7000核心機(jī)上得到驗證。六、刷式密封技術(shù) 刷式密封由內(nèi)、外夾板和1組緊密刷絲構(gòu)成。緊密刷絲夾在內(nèi)、外夾板之間，順著轉(zhuǎn)動方向傾斜45°~55°，被固定在轉(zhuǎn)動端面上，以減少摩擦和磨損。軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，偏置角可使刷絲彎曲而不致使之折損。刷絲貼著軸頸的表面涂層運(yùn)轉(zhuǎn)，防止或減少軸的磨損。即使軸瞬時發(fā)生很大的偏移，刷式密封也可以收到良好的密封效果。因而，與常規(guī)密封相比，刷式密封能更大幅度地減少泄漏量。七、結(jié)束語目前，美國、英國和俄羅斯等國家已經(jīng)開發(fā)了大量的先進(jìn)技術(shù)，研制出了推重比10級的軍民用渦扇發(fā)動機(jī)，并在積極地實施IHPTET計劃、通用的經(jīng)濟(jì)可承受的渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)(VAATE)計劃、先進(jìn)軍用核心機(jī)(ACME)計劃、TECH56計劃、超高效發(fā)動機(jī)技術(shù)(UEET)計劃等發(fā)動機(jī)預(yù)先研究計劃，為在21世紀(jì)初研制出推重比15~20甚至20~30的軍用航空發(fā)動機(jī)和超高效的民用發(fā)動機(jī)做好了充分的技術(shù)準(zhǔn)備。: 回答者：網(wǎng)友

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