1. 我国民用航空发动机发展现状
涡喷发动机
涡喷发动机原理
涡扇和涡桨都是在涡喷发动机的基础上发展而来的,所以我们先说说涡喷发动机。空气先进入发动机后,先由许多叶片构造的压气机将空气压缩,而后进入燃烧室与航空煤油等燃料混合燃烧,成为高温高压的燃气气体后推动一级或多级涡轮高论转动再次增压后并由尾喷管向后高速喷出,对发动机形成一个向前反作用力,推动飞机向前飞行,这就是最早的“涡轮喷气发动机”,简称涡喷发动机。由于涡喷发动机的全部动力都来源于燃烧室燃烧后由涡轮增压的高温高压气体,所以具有功率高、高空高速的优点,但是由于全部气体都需要燃料混合加热,所以油耗高、经济性较差、低速性能差是它的缺点。涡喷发动机一般用于对速度有严格要求的飞行器上,早期喷气式战斗机和截击机上有大量使用。
前苏联的米格—25高空超音速战斗机就使用留里卡设计局的涡喷发动机创造了3.3马赫和37250米的升限记录。
涡扇发动机
由于涡喷发动机的油耗过高和低速性能差的缺点,人们进一步发展了喷气发动机。科学家们在涡喷发动机前面加了一个大风扇,形成了“涡轮风扇发动机”,简称“涡扇发动机”进入发动机的空气首先要通过风扇,一部分从增压机和燃烧室的边缘流过然后直接从后喷出,称之为“外涵气流”。
另一部分空气跟涡喷发动机一样流入增压机和燃烧室再高速喷出,称之为“内涵气流”。这两者共同形成发动机的推力,两者的气流比称之为“涵道比”,涡扇和涡喷最主要的区别就是涡扇发动机的动力更加多样,不单纯依靠高温高压气体,还有不需要加热和增压的外涵气流。
这就使得涡扇发动机的燃油经济性更好,并且发动机更加安静而且具备了不逊于涡喷发动机的推力,但是涡扇发动机过于依赖外涵气流和结构复杂也导致了其高空高速性能不佳和制造难度大的缺点。现代涡扇发动机很多都在风扇后安装了“加力燃烧室”,可以在短时间内提高增大发动机的推力,主要用于飞机超音速飞行。作为涡扇发动机最重要的参数之一,涵道比大(也就是外涵气流比例大)的涡扇发动机一般用于对速度要求不高但对经济性要求高的民航客机和运输机,涵道比小的(内涵气流比例大)主要用于对速度要求高的战斗机和轰炸机。
涡桨发动机
为了进一步的提高喷气发动机的燃烧效率和经济性,有人在涡扇发动机的基础上进一步改进,用一个螺旋桨代替了原有的风扇,这就成了“涡轮螺旋桨发动机”,简称“涡桨发动机”。
由于螺旋桨的面积比涡扇大得多,因此进气量也大得多,而且外涵气流比内涵气流大得多,主要动力来源于通过螺旋桨后的外涵气流,只有大约百分之五的动力来源于内涵气流向后喷射带来的动力。涡桨发动机就相当于一个超高涵道比的涡扇发动机,因此耗油极低、经济性极佳。但是由于螺旋桨的转动速度比涡扇低很多,因此涡桨发动机在低速性能好,高速性能却不行,因此一般适用于支线客机和战术运输机。而由于涡桨发动机的体积较大且不利于隐身和安装附挂武器,因此也不适用于现代的战斗机和轰炸机。
2. 我国民用航空发动机发展现状如何
没有
这玩意属于看上去很美
伊夫琴科进步设计局自苏联解体以来早就不死不活了,D18苏联时代就已经投产但是其改进型搞了25年还是没一点进展。修发动机还行,估计图纸也能廉价甩卖,但是真想要什么核心技术估计就算了
更何况这种发动机有点鸡肋
三转子构造,加大了制造的难度和维护的复杂性,勤务性能比较差
如果拿来做民用飞机的发动机,噪音太大,适航证就拿不到,而且油耗太厉害,没人用
用作军机发动机的话,妥备率不行,比较麻烦
3. 我国民用航空发动机发展现状及趋势
一、用途不同 航空发动机主要用于航空动力,其整机重要指标:推力型的侧重推重比、耗油率、比功、单位迎风面积推力等;功率型的侧重功重比、耗油率、比功等。
燃气轮机主要用于电力、工业、舰船和国防陆用等领域作为动力装置,通常是由航空发动机衍生出来的,而后独立发展的高技术产品。
其能量输出方式只有功率输出,整机重要指标:陆用型侧重热效率、比功、使用寿命等;车船型侧重热效率、比功、使用寿命、单位体积功率等。
二、组成部件不同 航空发动机和燃气轮机二者由于组成的部件不同,部件间的匹配关系不同。
航空发动机追求先进气动热力设计、高热力循环参数;追求高推重比、高功重比;追求矢量推力技术、隐身技术、高机动下的工作稳定性技术;需要考虑防冰冻、防鸟撞、防雷击等。
燃气轮机追求高热效率、低成本、耐久性、高可靠性、长寿命设计技术;追求先进燃气/蒸汽联合循环、间冷、回热、再热等复杂的热力循环技术,提高循环热效率。
三、压气机不同 航空发动机压气机追求的指标是在高效率和高稳定性的前提下尽量降低自重和减小迎风面积(风扇除外),满足非常宽的飞行包络线,而长寿命(即大修时间间隔)以及生产和制造成本是次要因素。
燃气轮机的压气机则是追求在高效率和高稳定性的同时,尽量延长压气机的寿命,降低生产和制造成本,而自重则是次要因素。
四、燃烧设计不同 航空发动机追求短环形燃烧室设计,高温升、高热容强度燃烧室设计技术;高空再点火和高空稳定燃烧技术;对民用航空发动机还要求高效低排放燃烧室设计技术。
燃气轮机尤其是重型燃气轮机,其结构多为管-环结合的干式低排放燃烧室。
追求油/气互换,合成气、中低热值气多燃料适应性,干式低NOx燃烧技术。
新一代重型燃气轮机多采用纯氢和富氢燃料,实现近零排放燃烧室设计技术。
五、透平不同 透平必须采用先进的气动设计高效率地转化能量,同时必须能够在极端的工作环境中保证工作的可靠性。
航空发动机透平进口温度更高,且叶片截面小,叶片短,采用气冷方式,高、低压透平或动力涡轮设计追求高负荷、高效率的气动设计;追求新型高7a686964616fe59b9ee7ad9431333431366265效冷却透平叶片设计技术,高负荷、高可靠性透平结构设计技术,对转涡轮设计技术和流热固多场耦合分析技术等。
燃气轮机尤其是重型燃气轮机,透平进口温度相对较低,透平叶片截面大,叶片长,既可采用空气冷却技术、也可采用蒸汽/空气综合冷却技术,多级透平设计追求高气动效率和长寿命。
来源:中国科学院——燃气轮机与航空发动机的关系—血浓于水与龙生九子
4. 我国航空发动机的发展现状
航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,也是国家安全和大国地位的重要战略保障。航空发动机具有研制周期长,技术难度大,耗费资金多等特点,当今世界能够独立研制航空发动机并形成产业规模的也仅仅只有中、美、俄、英、法等五国,其中军用航空发动机被美、俄、英主导。本文详细解读航空发动机的发展历程及产业特点。
航空发动机:飞机心脏,工业之花
航空发动机是飞机的心脏,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”和“工业之花”。航空发动机不仅是飞机的动力,也是航空技术发展的动力,人类在航空领域的每一次重大突破,无不与航空动力技术的进步相关;飞机的需求和发展又促使发动机向更高水平迈进,二者相得益彰。航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,也是国家安全和大国地位的重要战略保障。作为一种典型技术密集型产品,航空发动机需要在高温、高压、高转速和高负载的特殊环境中长期反复工作,其对设计、加工及制造能力都有极高要求,因此具有研制周期长,技术难度大,耗费资金多等特点。目前虽然许多国家都可以自主研制生产飞机,但具备独立研制航空发动机能力并形成产业规模的国家却只有美、俄、英、法、中等少数几个。
我国商用大飞机起步较晚,民用航空动力发展更为滞后,中短期内缺乏投资机会;而军用航空发动机正处在快速自主化进程中,故本文侧重于研究和分析军用航空发动机。
5. 目前我国航空发动机的研制现状
1、WS-15涡扇发动机 国家:中国
2、涡扇-10B太行发动机 国家:中国
3、WS-13涡扇发动机 国家:中国
1、WS-15涡扇发动机 国家:中国
WS-15全称涡扇15"峨眉" 涡扇发动机,是为我国第四代重型/中型战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机。WS-15主要用于双发重型隐身战斗机歼-20。WS-15由606所、624所、614所、410厂、430厂和113厂等单位专家组织研制。"峨眉"航空发动机的技术验证机在2006年5月首次台架运转试车成功。这标志着我国在自主研制航空发动机的道路上又实现了历史性跨越,在研制我国第四代中型战斗机的征程上迈出了坚实的一步。2011年中航黎明完成了ws-15验证机的交付。保节点是2020年完成研制。
WS-15全称涡扇15“峨眉” 涡扇发动机,是为我国第四代重型/中型战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机。由606所、624所、614所、410厂、430厂和113厂等单位专家组织研制。“峨眉”航空发动机的技术验证机在2006年5月首次台架运转试车成功。
这标志着我国在自主研制航空发动机的道路上又实现了历史性跨越,在研制我国第四代中型战斗机的征程上迈出了坚实的重大一步。2007年3月原形机首次台架运转试车成功,预计2013年3月发动机完成设计定型试验,2014年7月生产型发动机定型。
按照飞机任务要求,“峨眉”航空发动机在循环参数选择上采用较高的涡轮进口温度、中等总增压比和比较低的涵道比。采用的新技术主要有损伤容限和高效率的宽弦叶片、三维粘性叶轮机设计方法、整体叶盘结构的风扇和压气机、单晶气冷涡轮叶片、粉末冶金涡轮盘、刷式封严、树脂基复合材料外涵机匣、整体式加力燃烧室设计、陶瓷基复合材料喷管调节片、三元矢量喷管和具有故障诊断和状态监控能力的双余度式全权数字式电子控制系统。发动机由10个单元体组成。
2、涡扇-10B太行发动机 国家:中国
行WS-10/10A相当于当初F100-PW-100阶段,而太行改WS-10B则已经相当于当初F100-PW-220阶段。太行改WS-10B发动机整体性能接近和部分超过F110-GE-129IPE(F110的性能改进型)WS-10B发动机在“太行”发动机的基础上研制的,涡扇10B与涡扇10/10A之间的通用零部件达70%。使用通用部件不仅减小了研制的冒险性,还将显着地减少后勤保障费用。
太行改WS-10B的核心机以“太行”核心机为基础重新研制的,在设计过程中三大核心部件既高压压气机、环形燃烧室、高压涡轮等大量的参照并借鉴了AL-31F核心机的设计方法,结构细节设计和制造工艺. 大胆倡导采用了航空动力许多前沿设计技术成果和大量应用新材料、新工艺,从而突破了120余项关键技术。
重点围绕WS-10B核心机的三大高压部件既高压压气机、环形燃烧室、高压涡轮等的工程设计,试制与试验以及其相关的强度、控制等系统进行综合应用研究,研制过程遵循“部件试验在前,整机试车在后.的原则,完成了大量的三大核心部件和子系统的试验。
对核心机进行了大量的地面和高空性能试验,对可靠性与耐久性方面的进行大量试验,大幅度的提高热端部件寿命。对其它部件、系统、成件等作了适应性改进,对附件位置、管线和防冰系统作了必要的修改。为减轻重量进一步扩大了钛合金的应用范围。对加力燃烧室和尾喷管进行优化设计,采用新的耐高温合金材料,改进冷却设计,减轻重量 。
优化设计了高压涡轮叶片的结构细节设计,为不带冠设计,强化气膜加对流复合冷却技术。利用增大空气流量、提高部件效率、减少漏气和损失等技术措施,来一定幅度的提高推力。风扇是采用后2级整体叶盘结构。由于运用三维计算流体力学进行设计,风扇效率显着提高,压比为3.6;采用整体叶盘,消除了燕尾槽和阻尼凸台等处的应力集中,简化了结构,减少了零件数,减轻了重量,减少了泄漏结构和系统。
加力燃烧室和尾喷管以及大部分发动机附件从“太行”发动机的设计方案衍生而来,并改进了冷却技术和重新设计了部分结构设计,使结构更简单,减轻了重量,提高使用寿命寿命、同时维修性也得到改善,降低了使用和维护成本,为适应J11B的机体,对附件位置、管线和防冰系统作了必要的修改
3、WS-13涡扇发动机 国家:中国
俄方负责培训技术人员和部分工人,培训完一批工人连设备一起运回,安装调试进行生产,合理安排各部件生产进度,交叉并行进行。由中俄双方在 RD-33 的设计基础上,对局部结构设计进行改良,命名为天山 -21,后请空军司令员马晓天中将命名为“泰山” 。引进了改良后的 RD-33 的大部分生产工艺设备对一条 WP-13 生产线进行技术改造
WS13 是在 RD33 的基础上结合推比八的中推的技术而研制的小涵道比加力型涡扇。
三级轴流式宽弦实心钛合金的风扇叶片,经两极电化学处理的整体叶盘结构,风扇前有计算机控制的可变弯度导流叶片,扩大风扇稳定工作范围。8 级轴流式高压压气机 ( 前三级为可调导流叶片 ) 单级低压涡轮采用空心气冷转子叶片,单级高压涡轮为单晶涡轮叶片和导向器叶片,环形燃烧室,有叶尖间隙控制的 空气热交换器,综合数字式全权限控制系统。
齿轮箱和附件位于发动机的下方,具有性能先进的微型涡轮辅助动力装置,大部分零部件可以利用RD-33的,部分只需略加改良,小部分是新研制的外廓尺寸相近。引进了改良后的 RD-33 的大部分生产工艺设备对一条 WP-13 生产线进行技术改造。
WS13A :大涵道比非加力型涡扇,涵道比 2.0 ,推力 10KN ,油耗 0.62 ,总压比 23 ,涡轮温度 1800K ,推重比14 ,大修间隔 800H ,寿命 2400H ,预计 2006 年开始批量生产,列装机型:中客 ARJ21 、中运
WS13 泰山:用于 FC - 1 “ 枭龙 “ 、 FBC - 1 “飞豹” 后期动力。WS13 是在 RD33 的基础上结合推比八的中推的技术而研制的, 长 4.14 米,最大外直径 1.02 米交付使用质量 1135 千克,发动机 加力推力 86.37 千克。
改型发动机加力耗油率为 2.02 ,不加力推力为 56.75KN ,不加力耗油率为 0.73 ,巡航推力 51.2KN ,巡航耗油率 0.65 ,进气量 80kg/s ,涵道比 0.57 总压比 23 ,大修间隔 810H ,涡轮进气口温度 1650K ,寿命 2100H ,推重比 7.8 。预计2012年开始批量生产。
6. 中国航空发动机的发展
中国航发顶尖的发动机有以下几款重量级发动机产品。
在研型号WS15(峨眉)作为我国小涵道比推力矢量涡扇发动机代表,未来将批量装换装我国五代战机歼20。公司为该机型航空发动机唯一供应商。(歼20的发动机,全国人民都在关心。)
在研型号 WS20 (涡扇20)为我国最新一代大涵道比涡扇发动机,是目前我国最重要的进口替代战略型号之一,将全面替代 D-30KP-2(俄制发动机) 装备运 20、轰 6K 及未来新一代轰炸机(轰20?待确认)。(远程轰炸机的意义比大多人想象中还要重要)
涡轴发动机受益于WZ10(武直10)和新型通用直升机(直-20)的放量。
新产品 WJ-10(涡桨)系列主要装配新一代海军预警型号(空警-3000?待进一步确认),该型号预计在 2020 年定型。
WS13(泰山)发动机主要装备巴铁的枭龙战机,及正在改进的另一款FC31(鹘鹰)隐身战机。
7. 中国航空发动机技术现状
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!