中小型航空发动机(中小型航空发动机的发展研究)

海潮机械 2023-01-31 14:03 编辑:admin 104阅读

1. 中小型航空发动机的发展研究

apu类型是小型的发动机。

APU是一个小型的燃气涡轮发动机,它为飞机提供电力和引气(高温高压空气),用于飞机在地面启动主发动机、在地面或者飞行中为飞机的空调系统及用电设备提供引气和电力供应。由于APU不产生飞机推力,故而和主发动机相比它的燃料消耗大大减少。

一般而言,APU主要在地面使用,在飞机起飞以后即停止工作。但当飞机在飞行过程中遇到发动机故障时, APU可重新启动,向飞机提供气源或电源,为发动机重启提供动力。

2. 中国民用航空发动机发展现状

招商证券指出,我国第三代军用发动机逐步成熟,新型发动机进展迅速,批产放量可期;同时我国民用航空发动机坐拥全球最大民航市场,未来同样发展潜力巨大。

1)航空发动机具有技术门槛高、耗资大、研制周期长、产品生命期长等特点。

航空发动机被誉为“制造业皇冠上的明珠”,它是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志,是构成国家实力基础和军事战略的核心技术之一。

航空发动机需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下工作,因此航空发动机的硏制难度极大,研制周期很长,技术门槛极高,全世界能自主硏制先进航空发动机的国家只有美、英、法、俄等少数发达国家。

虽然涡轮喷气发动机的研制是一项投资大、耗时长的大工程,但一旦研制成功投入使用,生命周期可达50年甚至更长。

2)预计未来10年我国军用发动机总市场空间年均992亿人民币。

目前我国航空装备无论在数量上还是在质量上与世界一流均有明显差距,预计我国将长期保持在航空装备领域的中高速投入。

预计未来十年我国军用航空发动机新增设备市场空间为年均451亿人民币,发动机维修市场541亿人民币,合计992亿人民币。未来随着新型航空发动机的成熟以及产能提升,行业进入收获期。我国军用航空发动机的总量增长、国产替代、维修市场,三者将为我国航空发动机产业提供巨大的市场空间。

3)预计未来20年全球民用航空发动机市场空间年均近1400亿美元。

预计末来20年,全球商用航空发动机总交付量预计将达到80000台以上,市场价值达13000亿美元以上。再考虑发动机维修后市场,预计民用航空发动机市场年均近1400亿美金。

未来20年,预计中国航空发动机总交付量将达到15000台,市场价值达2600亿美元。另外,民用航空发动机维修未来市场空间广阔。根据《航空周刊》2021年机队数据预测,2021年总的发动机维修需求可能约300亿美元左右,到2025年将增长至400亿美元左右,2030年将达到470亿美元。

4)国家发展国产航空发动机的决心明确。

2016年航发集团正式成立,2017年我国两机专项正式实施,同时以航发资产、惠华基金为代表的国家资本积极向产业链投资,有效促进了航空发动机的研发进程。目前我国第三代军用发动机逐步成熟,新型发动机进展迅速,放量批产可期。

而我国民用航空发动机坐拥全球最大民航市场,未来发展潜力巨大,预计我国航空发动机产业将加速发展。

3. 中国航空发动机研究

航空发动机制造属于工业的皇冠。它的分类为

涡轮喷气发动机五大部件是进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。此外还有热机(将热能转换为动能)和推进器(气流喷出获取反作用力)。

进气道功能是将足够的空气量, 以最小的流动损失顺利地引入压气机; 当飞行速度大于压气机进口处的气流速度时, 可以通过冲压压缩空气, 提高空气的压力。

压气机是发动机中最为重要的部件,由转子和静子组成。

转子在发动机轴的带动下高速旋转带动叶片对空气作功,压缩空气, 提高空气的压力

静子主要由机匣和导流叶片组成,使气流进一步减速,增加气体的压力

燃烧室:高压空气和燃油混合, 燃烧, 将化学能转变为热能,形成高温高压的燃气

涡轮:高温燃气作用下旋转做功的部件,由静子和转子组成。能量交换方式与压气机正好相反

尾喷管:使燃气加速,将一部分转换为动能,提高燃气速度,产生很大的推力

军用飞机的航空发动机还会使用加力燃烧室,位于涡轮和尾喷管之间,进一步喷油、增大发动机推力、提高机动性。当然也会使得燃油消耗率急剧增大,发动机效率降低。

加力燃烧室结构如图

航空发动机是飞机的心脏,直接影响飞机的性能、可靠性和经济型,是飞机核心部件。它的研制对于结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、电子学、控制理论等学科都有极高要求。

随着航空的不断发展,近年来,航空发动机采用了大量新技术,比如空心风扇叶片、整体叶盘、隔热涂层、矢量喷管、复合材料即陶瓷与碳纤维材料等,这些都对研究、制造等提出了更高的要求。

我国航空发动机事业历经近70年发展,从仿制、改进改型,到逐步进入自主创新,先后研制出涡喷、涡扇发动机,成为能够独立研制航空发动机的少数国家之一。当然,我们与世界先进航空发动机制造水平还是存在不小差距,未然依然任重道远!

4. 航空发动机研究和发展特点

大小各有用途:

  大小涵道比涡扇发动机的区别主要集中在外涵道的大小上,其他方面的结构区别并不是很大,所以在发动机的研制上才有利用同一核心机研发多种发动机的方式,但将来的发展趋势会使这两种发动机逐渐彻底成为两种发动机,核心机也可能会有很大区别。

  大小涵道比涡扇发动机在其他方面或者说细部上的区别主要是和其工作条件和要求造成的,大涵道比涡扇发动机主要为民用,需要更高的效率、更低的噪音;小涵道比涡扇发动机主要为军用,需要更高的推重比;他们都需要更长久的寿命和更低的油耗,从而出现使用技术的不同。具体如下:

  1、大涵道比涡扇发动机采用高压比多级高压压气机。

  高压比多级高压压气机是大涵道比涡扇发动机的关键技术。由于民用发动机的总压比不断提高的趋势,目前超过40,今后将进一步提高到50以上。军用发动机的高压压气机压比一般为6~8,还没有超过10的,但是民用发动机的一般为12~20,GE90的10级(在后来的GE90-115B中减为9级)高压压气机的压比更达到23,平均级压比为1.37,都是所有实用中发动机的高压压气机之最。正在研制中的PW6000发动机的高压压气机以6级达到11的压比,平均级压比近1.5。研究中的平均级压比为1.4~2.1。

  2、大涵道比涡扇发动机采用多种降噪技术。

  这是由于民航客机常在城市上空飞行,需要控制噪音,这是军用飞机不需要的。大涵道比涡扇发动机主要为民用,当前采用或在研究中的降噪措施主要有:

  (1)尽量提高涵道比,降低发动机平均排气速度,但受到风扇和发动机尺寸的限制。

  (2)在对气动性能不造成大的损失的条件下,降低风扇叶尖切线速度;采用掠形叶片和倾斜叶片;锯齿形风扇出口导向叶片后缘和吹气式尾迹管理;合理选择叶轮机转子叶片和静子叶片的数目比例;加大转子和静子的轴向距离;减小叶尖间隙;低损失空腔设计。

  (3)采用对转风扇 在欧洲航空第6框架内的环境友好航空发动机计划下正在研究对转风扇,并将在俄罗斯中央航空发动机研究院的试验台上进行气动声学试验。希望能降低噪声5分贝。

  (4)在减少喷气噪声方面,正研究各种加快内外流气流之间和喷流与大气混合的喷管,具体的方案有非轴对称风扇喷管、中心线偏置的风扇和核心喷管以及锯齿形核心和风扇喷管。

  (5)采用向上倾斜的进气口(scarf inlet)和喷口,使噪声向上传布。

  (6)采用加长外涵道,广泛敷设利用赫姆霍茨效应原理的消声衬垫,包括频率自适应衬垫,甚至噪声主动控制技术。

5. 中小型航空发动机的发展研究报告

舰载飞机要用重油发动机,是为了战场单一燃料,与航母发动机采用相同燃料。有效降低战场后勤保障成本。   例如:美国军方为了满足燃料一体化要求,率先开展了小型航空重油活塞发动机的研究工作。美国海军从1989年开始陆续开展了三个小型航空重油活塞发动机的研究工作。到了90年代后期,美军对于轻型高动力性发动机的需求越来越强烈,同时对燃料一体化的要求越发严格。经过多年的探索研究,美国小型航空重油活塞发动机的技术日益成熟,发动机主要改装自汽油发机,采用点燃技术。

6. 小型航空发动机市场

1、APU启动,一般在大型飞机上使用,大飞机尾部有APU(辅助动力系统)装置。比如波音737有1个,安-124有2个。APU是一个结构简单的离心式涡喷发动机可以在地面带动主发动机里的涡轮转动(这中间有个复杂的过程,其实驱动的是启动发动机,然后通过传动装置带动涡轮),涡轮带动压缩机吸入气体。可以把飞机的发动机缓慢的开到慢车工作状态,这样就可以完成启动。

2、气体启动,一般用于小型的飞机,使用高压空气瓶带动涡轮转动到慢车即可。但是功率小,只适合于小飞机。

3、电源启动。这个是大多数战斗机的启动方式,包括苏-27,米格-25和歼-8等。具体就是由地面大功率电源车提供电源,驱动一个大功率发动机带动涡轮旋转至慢车即可。这种方法启动效率高,时间短。但是有一个重大缺陷:地面电源车尺寸重量相当大,一般无法空运。

7. 目前我国航空发动机的研制现状

国产飞机发动机的寿命已经超过一万小时,达到国际水平。

总的来说,维修频繁,更换配件的情况多。总体需要10年至15年之间,总飞行时间为360000小时。航空发动机(aero-engine),是一种高度复杂和精密的热力机械,为航空器提供飞行所需动力的发动机。作为飞机的心脏,被誉为“工业之花”,它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。目前,世界上能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美国、俄罗斯、英国、法国等少数几个国家,技术门槛很高。