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航空大渦扇的研發(fā)制造難點(diǎn)到底在哪里?

2019-03-30 23:58 作者:瀚海狼山  | 我要投稿



某方的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)被形容為一直落后世界先進(jìn)水平。其實(shí)在渦扇10以及改進(jìn)型號(hào)大范圍應(yīng)用、渦扇15為代表的第4代航發(fā)噴薄欲出的時(shí)代,嚴(yán)格意義上在軍用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)上,某方已經(jīng)距離世界最強(qiáng)水平追的不簡(jiǎn)單。當(dāng)今全球有12噸以上推力的第三代航空大推的國(guó)家或者國(guó)家集團(tuán),只有三家。而整個(gè)歐洲雖然航發(fā)實(shí)力不弱,但是至今卻沒(méi)有一種成熟的三代大推。因此可以說(shuō)在這點(diǎn)上,某方起碼把差距從原先的60年追到了20年以?xún)?nèi)。但是在航空大渦扇上,則差距仍然巨大,說(shuō)距離世界最先進(jìn)水平,差距仍然有50年都是謙虛的。當(dāng)前全球,在航空大發(fā)上基本并駕齊驅(qū)的就是美英兩家。而美方確實(shí)是全球唯一的各種航發(fā)都領(lǐng)先的全優(yōu)生。航空大發(fā)其實(shí)本來(lái)就不分民用軍用,用在民機(jī)上就是民用,用在軍機(jī)上就是軍用。這方面除了美英,連后面可以追趕的第三家都沒(méi)有。前蘇聯(lián)推力最大,用在安124和安225上的T18發(fā)動(dòng)機(jī)。

只相當(dāng)于GE在七十年代中期的水平;而某方現(xiàn)在涵道比并不算大,推力僅僅在15噸級(jí)別的的WS20至今仍未公開(kāi)裝機(jī)。推力在30噸級(jí)別的還在遠(yuǎn)景規(guī)劃中,至于50噸推力級(jí)別的根本還沒(méi)計(jì)劃。這點(diǎn)上和世界先進(jìn)水平的差距確實(shí)有50年以上。那么航空大渦扇的研發(fā)難度,到底在哪里呢?大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是指涵道比4以上的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。由于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率低、噪聲小,被廣泛用于大型民用和軍用運(yùn)輸機(jī)以及其他大型亞聲速飛機(jī)如加油機(jī)、預(yù)警機(jī)、反潛機(jī)等。 大渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的巨大推力,根本上來(lái)源于他的巨大口徑和高速風(fēng)扇帶來(lái)的極大的空氣流量比。正是在短時(shí)間可以吸收巨量的空氣并且通過(guò)風(fēng)扇壓縮有再向后噴出,才是這類(lèi)航空大發(fā)的推力動(dòng)輒有幾十噸的關(guān)鍵所在。而大口徑的風(fēng)扇往往只有一級(jí),也就是只有一層,既要高速自旋,又要確保在大雨、大雪甚至冰雹沙暴天氣中確保這一級(jí)風(fēng)扇的安全可靠工作,就是一項(xiàng)相當(dāng)高的技術(shù)和工程要求。


大尺寸風(fēng)扇是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特有技術(shù)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的增加,風(fēng)扇向著大直徑、低壓比方向發(fā)展,其設(shè)計(jì)要求是效率高、噪聲低、重量輕、抗外物損傷能力強(qiáng)。在三維黏性CFD設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的掠形葉片可以降低葉片進(jìn)口氣流相對(duì)馬赫數(shù),減少激波損失,進(jìn)步風(fēng)扇效率和流量。掠形葉片使風(fēng)扇葉片效率進(jìn)步3%~5%,空氣流量增加3%~10%。由于前掠葉片的失速裕度比后掠葉片的大,因此前掠葉片更受人們的重視。 在材料、結(jié)構(gòu)和工藝方面有無(wú)凸臺(tái)寬弦空心鈦合金葉片和樹(shù)脂基復(fù)合材料葉片。前者用超塑性成型、擴(kuò)散連接工藝制成,后者由增韌環(huán)氧樹(shù)脂、石墨纖維預(yù)浸帶纏繞,然后用模壓成型。此外,凱夫拉復(fù)合材料纏繞的多層包容環(huán)和葉片圓弧形榫根等也值得引起重視。

其實(shí)整個(gè)航空大發(fā)最大的制造難度就是這個(gè)最前面的大風(fēng)扇葉片。當(dāng)年羅羅因?yàn)槿~片材料不過(guò)關(guān),屢試屢敗,幾乎徹底放棄航空大發(fā)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng),在放棄的最后一刻,好歹堅(jiān)持下來(lái),才基本解決了問(wèn)題。而美國(guó)GE當(dāng)年也是問(wèn)題重重,最后在復(fù)合材料的葉片前緣,采用凱夫拉裝甲材料進(jìn)行局部強(qiáng)化,也才最終解決問(wèn)題。而某方現(xiàn)在仍然在全力攻關(guān)上一代的鈦合金金屬葉片,仍然沒(méi)有開(kāi)始復(fù)合材料葉片的探索。這也是差距大的一個(gè)最大因素。

除了大直徑和大展弦比的葉片,航空大發(fā)的高壓壓強(qiáng)機(jī)部分也有難度。高壓比多級(jí)高壓壓氣機(jī)是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。民用發(fā)動(dòng)機(jī)的總壓比有不斷進(jìn)步的趨勢(shì)。


軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)壓比一般僅僅為為6~8,還沒(méi)有超過(guò)10的,但是民用發(fā)動(dòng)機(jī)的一般為12~20,GE90的10級(jí),在后來(lái)的GE90-115B中減為9級(jí)。高壓壓氣機(jī)的壓比更達(dá)到23,均勻級(jí)壓比為1.37,都是所有實(shí)用中發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)之最。正在研制中的PW6000發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)以6級(jí)達(dá)到11的壓比,均勻級(jí)壓比近1.5。研究中的均勻級(jí)壓比為1.4~2.1。所涉及的技術(shù)包括全三維黏性CFD分析技術(shù)、先進(jìn)型掠形葉片、串列葉片、彎曲葉片和傾斜葉片、吸附式葉片和主動(dòng)穩(wěn)定性控制。其他有關(guān)高壓壓氣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)有葉尖間隙控制、機(jī)匣處理、整體葉盤(pán)和整體葉環(huán)等等。


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