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发动机:航空动力的关键技术

发动机:航空动力的关键技术

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  • 发布时间:2020-06-15 14:33
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【概要描述】

发动机:航空动力的关键技术

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性能优良可靠的航空发动机代表了工业技术的最高水平。毫不夸张地说,离开优秀的发动机,再优秀的飞机设计也只能存憾。

 

超级计算机的贡献

现代航空发动机主要是涡扇,基本原理不复杂,但在高度优化的过程中,具体技术已经发展到非常复杂的程度,而恶魔总是在细节之中。

典型涡扇发动机由风扇、高低压压气机、燃烧室、高低压涡轮和喷口组成,民航常用的高涵道比涡扇实际上由风扇产生最大份额的推力,风扇推力与内涵道推力之比恰好就等于涵道比。理想涡桨的涵道比无穷大,内涵道的推力可以忽略不计。直升机用的涡轴则取消风扇,但喷口不产生推力,喷流驱动自由涡轮,转换成轴功率,通过减速齿轮驱动旋翼。这些涡轮类发动机在原理上共用核心机,也就是包含高压压气机、燃烧室和高压涡轮的部分。

压气机在原理上好比电风扇。压气机对着管道吹风,需要可调的导流片和固定的静子把螺旋形前进的气流矫直,但气流与导流片、静子、机匣壁、转轴的交互作用使得发动机内流动情况高度复杂。这还不光是一个三维的问题,时间也是一个因素。比如叶片转速增加,导致流速提高,气流旋转速度也相应提高,但增加有一个过程,要过一段时间才稳定到新的稳态。另外,叶尖速度以声速为极限,达到或者超过声速要引起激波,不光对机匣和相邻叶片造成严重敲击,还严重影响压气效率。压力波在空气中以声速传递,激波是空气速度达到声速后压力波堆积造成的,密度极大提高,锋面好比石墙一样。在空气流道里形成石墙,无疑要造成发动机窒息。实际叶尖速度以M0.92-0.95为极限。但声速是随空气的温度、密度变化的,压气机对空气逐级压缩,声速实际上是逐步提高的。因此在发动机正常转速下,压气机叶片的叶尖线速度超过了典型大气条件下的声速,就是这个道理。为了尽可能提高压气机的出力,每一级的叶片和静子都要当前级的极限和压缩要求分别分析、设计。

通过高性能计算机的帮助,现在工程人员可以精确模拟出喷气发动机燃烧室的工作情况。

 

传统上,这些复杂现象只有用风洞来观察。但风洞试验耗费很大,而且实验和观察条件有一定的限制,严重限制了发动机技术的发展。在只有计算尺的年代,发动机内部的流体力学计算只能在宏观层面上进行,局部现象和边界现象都无法有效处理。计算流体力学将整个系统划分为无数细小的单元,每一个单元里建立动态的能量、质量、动量的动态平衡,计算温度、压力、密度、速度、流向分布,把所有的局部现象和边界现象都考虑进去,使得高精度动态数字仿真成为可能。这相当于虚拟的风洞实验,可以在调整设计的过程中一遍一遍地反复,实际观察修改效果。这是非常有力的分析和设计工具,与计算机辅助制造系统连接起来,可以精密设计和制造每一片叶片、导流片、静子,达到最优性能。

燃烧室是另一个很有挑战的设计问题。优秀的燃烧室设计不光提高出力和燃烧效率,还降低氮氧化物和二氧化碳的排放。但高温条件下的复杂流动不容易用风洞观察,动辄1650摄氏度的工作条件,没有观察窗或者摄像头能耐受这样的高温。燃油需要在喷入燃烧室的时候形成均匀细密的雾滴,空气要在高速稳定的流动中与燃油雾滴均匀混合,点火要做到可靠、平滑,燃烧要稳定传播。由于燃烧室的温度高于耐热合金的熔点,必须靠冷却技术才能稳定持续地工作。冷却空气来自高压压气机的引流,虽然也有几百度的温度,但比燃烧室的温度低多了。燃烧室内尽管设计要求是均匀混合,均匀燃烧,但实际上还是有热点、冷点,冷却用来均衡这些温度差别,使得燃烧室可以达到最大出力和最高效率,避免短板造成的性能损失。另一方面,冷却气流在流动和换热过程中,逐步吸收热量,逐步升温,冷却效果也逐步下降。因此,冷却气流温度、流量、路径、分布需要与燃烧室内的温度分布紧密配合,才能保持壁温均匀。

燃烧室毕竟还是静态部件,涡轮(尤其是高压涡轮)不仅具有和燃烧室一样的耐高温要求,涡轮本身还在高速旋转,可达15000转/分。强大的离心力不仅对结构材质构成巨大的考验,旋转本身对冷却设计的挑战更大。涡轮叶片是空心的,但进气在翼根,出气在叶片表面。这些微孔的分布和方向很有讲究,不仅要克服离心力把气流“甩”向叶尖的自然倾向、保证内部气流流场和温度均匀分布,还要在叶片表面形成层流,达到最大的隔热效果。气流在物体表面的流动有层流和湍流之分,后者是紊乱的混合,传热快,但前者是“长幼有序”的分层平稳流动,层与层之间的换热不好,形成隔热效应。问题是,叶片表面受到高速旋转和燃烧室的高温燃气冲刷的影响,流场高度复杂。叶片转速和燃气速度还随发动机出力而变,通用电气的LEAP发动机还根据工况自动调节冷却气流的流量,在低推力的时候降低冷却气流流量,改善油耗,这些因素都进一步增加了问题的复杂性。

通用电气的工程人员在为LEAP发动机安装CMC部件。CMC不仅耐高温性能更好,而且还让每台发动机减重18公斤。

 

这一切都需要海量的流体力学计算。除了已经普遍使用的各种台式高速电脑和工作站,中国已经成功地建造了若干世界最快的超级计算机,特别擅长复杂数值运算,在客观上已经形成良好的条件。但计算流体力学还需要先进的软件和使用经验,单元划分越细小,计算精度越高,但收敛也越困难,有很多技术诀窍。很多软件是公开市场上可以买到的,很多数值方法诀窍也并不保密,但软件使用需要丰富的经验,什么时候用什么诀窍更需要经验。

 

各家法宝

在材料技术上,一般认为传统耐热合金的潜力已经用尽,未来需要向陶瓷基复合材料(简称CMC)发展。陶瓷是已知材料中最耐高温的,锅炉的耐热砖就属于陶瓷类。但陶瓷易碎,在振动、高速高温气流冲刷的严苛条件下容易碎裂。CMC把陶瓷纤维与陶瓷基体结合起来,继承了陶瓷耐高温的优点,避免了易碎裂的缺点,是现代航空发动机材料方面的关键技术。通用电气已经将CMC用于LEAP发动机的制造。

另一方面,斯奈克玛采用碳纤维3D编织的方法,大大提高碳纤维复材构件的刚度和强度。传统碳纤维复材把平面编织的碳纤维布用基体树脂层层粘结,层与层之间的强度取决于基体树脂。3D编织组成有序的空间网格结构,然后固化,使得材料性能大幅度改善。

普拉特-惠特尼的法宝则是齿轮减速涡扇,现在已经应用与PW1000G系列,成为空客A320NEO、俄罗斯MC-21等新一代客机的首选。普拉特·惠特尼还在PW1000G上采用了主动叶尖间隙控制。压气机或涡轮叶片与机匣的间隙既不能太小,这样热胀冷缩不一致时急剧增加磨损,甚至摩擦升温导致起火,最坏可以导致叶片断裂;也不能太大,这样压缩到下游的高压空气会从间隙里回流,不仅漏气损失效率,还可能造成喘振。传统设计只有增加喘振裕度,承受一点效率损失,间隙按最坏情况设计。主动间隙控制的好处显而易见,问题在于如何做到。主动控制本来已经处于严苛工况的叶片长度是不可思议的,但对相应位置的机匣进行冷却处理,可以反过来利用热胀冷缩控制机匣收缩,主动控制机匣与叶尖的间隙,这正是普拉特·惠特尼的独门绝技。

 

最早的涡扇是单转子的,不分高低压压气机,也只有一个涡轮组,风扇直接连接在大轴上,与压气机相同转速。由于风扇、高低压压缩的转速要求互相牵制,单转子涡扇很快发展成双转子,高低压压气机和涡轮分开,高压部分转速更高,低压部分转速较低,风扇连接在低压轴上,与低压压气机具有相同转速。双转子的热效率大大提高,但理想低压压气机的转速还是比理想风扇更高,这也与低压涡轮的有效转速有关,涡轮转速不能太低。风扇转速更低的话,容许直径更大,效率更高,但双转子难以做到。

罗尔斯·罗伊斯将双转子发展为三转子,在高低压之间增加了中压级,中压涡轮驱动低压压气机,低压涡轮驱动风扇,进一步提高热效率。但双转子的轴套轴已经很复杂了,三转子的机械结构更复杂,发动机为此要付出可靠性和重量的代价。通用电气和普拉特·惠特尼坚持双转子路线,深度优化,只有罗尔斯·罗伊斯采用三转子。罗尔斯·罗伊斯的三转子不仅用于民航发动机,也用于战斗机发动机,如“狂风”的RB199。

三转子在实用中并没有体现出比高度优化的双转子更优秀和油耗和减噪,但风扇速度降低的好处是明摆着的。普拉特·惠特尼采用齿轮减速,用双转子的结构达到三转子的效果,甚至超过三转子的效果,因为在风扇转速较低的同时,低压涡轮可以保证较高转速,有利于涡轮的工作效率。这是民航发动机的一个飞跃。齿轮减速的概念并不复杂,上世纪70年代的加莱特TFE731就采用了齿轮减速,由于噪声低,在公务机领域特别受欢迎。但高涵道比涡扇的推力主要来自风扇,因此对齿轮减速系统的要求特别高。行星齿轮的设计倒不是最大的问题,最大的问题在于滑油系统——要在离心力的作用下保证滑油的可靠三维流动、润滑和冷却,这是一个很有挑战的计算流体力学问题。普拉特·惠特尼首先在大推力高涵道比涡扇上采用齿轮减速,这有可能成为未来民航发动机的典型技术。罗尔斯·罗伊斯也计划放弃招牌三转子技术,下一代Ultrafan系列上将采用齿轮减速。顺便提一句,普拉特·惠特尼的齿轮减速也是F-35B所用的升力风扇齿轮驱动的基本技术。

 

涡轮-电动混动发展

这些还只是涡扇的深度发展,现代航空发动机有向涡轮-电动混动发展的趋势。全电动汽车有电池重量的问题,全电动飞机的电池重量问题更大。但用涡轮发动机驱动发电机,用电动风扇或者螺旋桨产生推力,这在技术上的难度要小得多。看起来这是舍近求远,但实际不然。高涵道比风扇的推进效率高,但这是对发动机而言的,发动机吊舱周围的机翼上下局部气流现象限制了飞机-发动机系统的推进效率。理想的推行系统应该由大量小直径风扇或者螺旋桨组成,遍布整个机翼和机体后体,形成均匀的推力分布。翼尖的风扇或者螺旋桨的旋转方向还可以与翼尖涡流相反,主动对消翼尖涡流阻力,将其融化到推力中去。

民航发动机是按照最大推力要求来确定的,而且要求在单发故障时,剩下的发动机依然能提供足够的继续起飞的推力。这对双发是尤其严苛的要求。如果与电池技术相结合,涡轮-电动还可以大大降低涡轮发动机的功率要求,只要满足巡航推力要求就够用了,电池成为起飞和加速时的助推能源。这样的混动系统有望大大降低巡航油耗。有意思的是,在汽车世界里,这已经成为现实,保时捷918就是在4.6升V8普通超跑发动机基础上,增加电动助力,达到顶级超跑的性能。如果完全用内燃机实现,就需要布加迪“威龙”那样的变态的8升W16发动机了,重量、油耗和成本都大大增加。

分布式的电动推进风扇和螺旋桨还可以用于机体表面附面层抽吸。附面层是空气粘性的结果,在机体表面形成呆滞的空气层,形成等效的机体截面积增加,增加了迎风阻力。机体越长,附面层从前向后的堆积越严重。用风扇或者螺旋桨主动抽吸附面层,使得呆滞的空气层流动起来,可以有效地降低附面层厚度,降低阻力。传统涡轮发动机并非不能用于附面层抽吸,但电动风扇或者螺旋桨在工程实施方面有更大的优越性。

 

三涵道和更科幻的发动机

图为X-57概念机的机翼,和传统飞机相比,X-57的机翼上安装了18具电动螺旋桨,在提供动力的同时也减小了飞行阻力。

 

在军用发动机方面,三涵道是最新趋势。所谓三涵道,就是在传统的内外涵道之外增加第三涵道,用于改变涵道比、辅助进气道气流管理、提供机载系统冷却气流和降低喷气红外特征。变涵道比是战斗机发动机的理想境界,既有涡扇起飞推力大、亚声速巡航省油的优点,又有涡喷超声速加速和巡航阻力小的优点。在活门、导流片的控制下,第三涵道可以按需要控制旁通流量,有效改变涵道比,达到变涵道比的目的。

三涵道对高亚声速飞行没有多少用处,对典型现代客机没有多少用处。但三涵道解决了超声速巡航的经济性问题之后,如果音爆问题也能得到解决,超声速民航时代有可能重来。NASA研究的新技术,对音爆造成的激波进行钝化,甚至用不同激波互相干涉对消,在降噪方面取得了长足的进展。音爆也与飞机重量、尺寸有关,超声速民航有可能在公务机或者小型客机上首先取得突破。

超出传统的涡轮发动机的话,脉动爆轰发动机(简称PDE)有点像四冲程汽油机用作喷气发动机,当然没有活塞,排气直接产生推力。PDE的热效率高于涡轮发动机,也不需要变涵道比这样的复杂技术就可以适合更大的速度范围。另一种新概念发动机是超燃冲压,避免了传统冲压发动机只能把进气减速到亚音速才能工作带来的阻力,实现高超声速飞行。将涡轮发动机、亚燃冲压和超燃冲压组合起来的组合发动机(简称TBCC)更是代表了实用化高超声速飞行的未来。PDE、超燃冲压和TBCC还比较科幻,但追逐未来技术并非好高骛远,而是登上前沿的立脚点。

本文来源:航空知识

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