Advanced Technologies of Typical Military and Commercial Turbofan Engine
沈陽航空發動機設計研究所 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"800發動機等所采用的壹些先進技術，分析了這些技術的主要特點。
關鍵詞：渦扇發動機 軍用發動機 民用發動機
20世紀70～80年代，美國、英國、俄羅斯、法國等國家研制了推重比7～8的戰鬥機發動機。這些現役主力戰鬥機發動機主要有美國的F100、F110和F404發動機，英國的RB199發動機，俄羅斯的AL31F發動機，法國的M88發動機等。20多年來，這些發動機不斷采用新結構和新技術進行改進和改型，已經發展了多個系列，目前推重比已達到8.7～10.0， 例如F100-PW-229A、F110-GE -132、F414增推型、AL37FU發動機。20世紀90年代，西方國家研制了推重比10級的新壹代軍用加力式渦扇發動機，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發動機；還研制了新壹代的先進民用渦扇發動機，主要包括GE90、PW4084、"遄達"800和CFM56-7發動機等。這些發動機的***同特點是，在確保提高發動機可靠性、耐久性和可維護性的同時，采用預先研究計劃開發的新材料、新結構和先進的氣動熱力學設計技術，大大提高了發動機的推力，減輕了發動機乃至飛機的質量，從而提高了發動機的性能。
壹、風扇和壓氣機技術
1.前、後掠葉片
前掠和後掠葉片是按葉片前緣法平面與當地來流的方向成壹空間夾角設計的先進葉片。該葉片能大大降低跨聲速風扇轉子的葉尖進口相對馬赫數的法向分量，從而降低葉片的激波損失，提高風扇的效率。另外，采用前掠葉片能降低端壁和附面層的損失，從而進壹步提高效率，還能使葉片端區負荷後移，當反壓升高時，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，不易引起失速。
1991年，由美國海軍、空軍和普惠公司***同投資，研制出了2級後掠葉片的整體葉盤風扇，與綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）計劃的基準風扇相比，效率提高了5%，級壓比增加了30%，效率和失速裕度都比當時最先進的風扇好。
20世紀90年代中期，由美國空軍、海軍和通用電氣公司***同投資，設計並試驗了前掠氣動研究試驗件（GESFAR）風扇，結果表明：與現役戰鬥機發動機的風扇相比，該風扇不但質量大大減輕，氣動性能和穩定性也得到了較大的提高。1996年，通用電氣公司為F414增推型發動機研制了2級整體葉盤結構的前掠葉片風扇，使流量增加了10%，壓比提高了10%，部件數也大大減少。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扇葉片具有氣動效率高、喘振裕度大、抗進氣畸變能力強的特點。
20世紀末，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扇葉片，試驗結果比預期的要好。還研制了轉子葉片為前掠、靜子葉片為弓形、前兩級采用整體葉盤結構的6級高壓壓氣機，使壓比達到了15，葉片數減到了968片，失速裕度達到24%。
英國羅-羅公司利用壹個使葉片掠形達到最優的三維氣動力學分析軟件，設計了直徑為2.79m的掠形葉片風扇。該葉片前緣呈短彎刀形，使進入發動機的氣流沿葉片展向平穩地減速，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/擴散焊接的低展弦比空心結構，大大減輕了質量，增強了風扇的抗鳥撞能力。與不掠風扇比，該掠形風扇能使空氣流量提高10%，葉片進口馬赫數降低10%，抗鳥撞能力增強10%，巡航效率也有所提高。試驗證明，該掠形葉片設計是可行的。
2.整體葉盤
整體葉盤采用先進工藝將葉片和盤加工成壹體，去掉常規連接的榫頭和榫槽，具有大大簡化結構、顯著減輕風扇和壓氣機轉子的質量、提高風扇和壓氣機的性能、延長轉子的壽命和明顯提高可靠性等特點。
通用電氣公司已經將整體葉盤結構應用到了YF120、F110-132、F414增推型以及F136發動機的風扇和壓氣機上。20世紀90年代初，普惠公司將整體葉盤結構應用於F119發動機的風扇和壓氣機上，之後又設計並研制了帶後掠葉片的整體葉盤結構的2級風扇，並在IHPTET計劃驗證發動機上進行了試驗驗證，目前已準備應用到F119和F100-PW-229A發動機上。羅-羅公司也將整體葉盤轉子用於由英國、德國、意大利和西班牙聯合研制的EJ200發動機的風扇和壓氣機和寶馬?羅-羅公司研制的BR715民用大流量渦扇發動機上，並正在研制強度高、剛性大、密度小的矽碳增強鈦合金復合材料的整體葉環轉子，為EJ200改進型發動機的推重比在21世紀初達到15～20提供技術支持。
3.復合材料風扇葉片
復合材料風扇葉片除自身質量輕以外，還可減輕風扇包容系統、風扇盤以及整個轉子系統的重量，因而，可實現大涵道比，進而達到降低發動機油耗和提高發動機效率的目的。
GE90發動機風扇葉片采用復合材料制造。葉身和葉根由被稱為"大力神"的8551-7/IM7復合材料制成壹體。葉片的壓力面塗有聚氨酯防腐塗層，葉身的吸力面塗有聚氨酯塗層。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。葉尖與後緣用Kevlar細線縫合，以避免復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塗有低摩擦系數的耐磨材料。該葉片具有重量輕、成本低、抗顫振、性能好、抗損傷能力強的特點。20世紀90年代末，通用電氣公司又將復合材料空心葉片應用到增推型F414發動機的風扇上。另外，普惠公司正在開發在鈦梁-環氧樹脂復合材料殼體內填充泡沫的風扇葉片技術和全復合材料風扇葉片技術。
4.空心寬弦風扇葉片
空心寬弦風扇葉片是為減輕風扇振動、提高抗外物損傷能力和減輕葉片質量而研制的，目前已廣泛地用於V2500、RB211、"遄達"800、F119、PW4084等軍民用發動機上。空心風扇葉片並不是絕對空心的，在空腔中采用了壹些加強的結構。"遄達"800發動機風扇葉片沿用了羅-羅公司在RB211發動機上采用的鈦合金空心夾層結構，但芯部是桁架結構，而不是原來的蜂窩板結構，采用超塑成形/擴散焊接工藝加工，這樣使重量減輕了15%。F119和PW4084發動機的風扇葉片沿用了普惠公司為E3發動機研制的鈦合金空心結構，葉片中空帶肋但無芯部，也采用超塑成形/擴散焊接工藝加工。
5.弓形靜子
弓形靜子能夠產生徑向力，降低吸力面拐角處氣流的擴散速度，從而推遲拐角氣流的分離，減少端壁損失，提高壓氣機靜子核心流段的壓升能力，使壓氣機在整個流量範圍內壓力特性更穩定，效率大大提高。目前，F119、PW4084、F414增推型、F110-GE-129EFE都采用了三元氣動設計的弓形靜子。
二、燃燒室技術
1.徑向分級低排放燃燒室
徑向分級燃燒室為雙環腔燃燒室結構，具有排放低、火焰筒的長/高比合理、長度短、重量輕、轉子動力學問題少和防積炭等特點。通用電氣公司開發的徑向分級雙環腔燃燒室在發動機起動/慢車狀態，只向外環腔供油，此時外環腔油氣比高、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，擴展了熄火邊界；在其他工作狀態，同時向兩個環腔供油，由於內環腔是按大工況、高速度優化設計的，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，並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噴嘴的雙環腔預旋渦混合器燃燒室。
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，而是調節各區的燃料分配，從而使燃燒溫度維持在壹個相對恒定的水平上，並將慢車和起飛狀態分開，以實現發動機低排放。當燃燒室開始工作時，首先將壹部分燃料噴到燃燒室的第1燃燒區，其他的燃油先與空氣混合，再噴入下遊的第2燃燒區或主燃燒區，以使NOx排放量最低。第1燃燒區在發動機起動至慢車狀態工作，第2燃燒區在大功率狀態下工作。軸向分級燃燒室的優點是點火快速可靠、主區燃燒效率高、燃燒室出口徑向溫度剖面可發展到壹個滿意的水平，並且壹旦發展到滿意的水平就不再變化。
普惠公司研制的貧油預混軸向分級的燃燒系統有3個不同的燃燒區，每個區的幾何形狀都是在不同的發動機功率範圍和燃料/空氣比下優化的。因此，該燃燒室不可能出現貧油燃燒。其控制系統的任務是根據發動機的工作狀態向這3個區精確地分配燃料，以取得準確的燃料/空氣比，使NOx和CO排放量達到最少。羅-羅公司也開發了軸向分級燃燒室，並已將其應用到BR715發動機上。
3.浮動壁火焰筒
浮動壁火焰筒由許多環形段和隔熱環連接而成。環形段背向火焰的壹面有對流散熱的凸環，並有能形成冷卻隔熱氣膜的縫隙。隔熱環由"浮動瓦片"組成，並用螺栓連接在外環段上。"浮動瓦片"采用精密鑄造，可以更換。在冷卻隔熱環的局部噴塗熱障塗層，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90年代初，普惠公司將浮動壁火焰筒應用到V2500發動機上，後來又應用到了F119軍用發動機和PW4084、PW6000等民用發動機上。近年來，在IHPTET計劃下，普惠公司又在全環形燃燒室試驗件上驗證了塗有SiC/SiC陶瓷基復合材料塗層的"浮動瓦片"和沖擊氣膜冷卻技術。SiC/SiC陶瓷基復合材料塗層是壹種強化技術，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，未采用常規的氣膜冷卻環，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行冷卻。兩股氣流流入火焰筒時對其進行高效冷卻（相當於發散冷卻），冷卻效率高達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發動機均采用了由GTD222合金加工的這種火焰筒。在推力相當的發動機中，GE90發動機燃燒室的長度是最短的。
三、渦輪技術
1.對轉渦輪
對轉的高、低壓渦輪能夠減少飛機機動飛行時作用於機匣和飛機上的陀螺力矩，而且可以取消低壓渦輪導向葉片，使渦輪的零件數減少、研制和維護費用降低，還可使渦輪結構簡化、尺寸縮短、重量減輕、減少冷卻空氣用量、降低因導向葉片引發的氣動損失，進而提高渦輪的效率。
F119和YF120發動機的高、低壓渦輪都采用對轉結構，但F119沒有取消高、低壓渦輪間的導向葉片，而YF120取消了導向葉片。另外，CFM國際公司在TECH56計劃下研制了兩種對轉的高、低壓渦輪，高壓渦輪采用了三維氣動設計的導向葉片和轉子葉片、刷式密封件和先進材料，低壓渦輪采用高負荷氣動葉片。與CFM56發動機的高壓渦輪相比，新的高壓渦輪的負荷提高了15%、葉片數減少了10%、冷卻空氣用量減少了22%、前緣激波強度降低了50%、效率提高了1%；與CFM56發動機的低壓渦輪相比，新的低壓渦輪的葉片數減少了19%、效率提高了近1%。
2.高效冷卻技術
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，通用電氣公司開發了內部增強冷卻的先進冷卻技術，羅-羅公司研制了傳熱性能很好但工藝復雜的壁冷的溫控系統。羅-羅公司現已將溫控系統用於"遄達"800系列發動機的高壓渦輪葉片上。
3.尾跡管理技術
尾跡管理技術是壹種將葉型進行時鐘排列的技術。該技術能改變尾流/尾流和尾流/葉型的相互作用，改善潛在的不穩定流場，降低葉型的不穩定氣動負荷，進而達到提高葉型效率的目的。普惠公司在PW4084發動機的高壓渦輪上對第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.先進材料和塗層
先進材料和塗層可以提高高壓渦輪的耐高溫能力。PW4084發動機高壓渦輪采用由第3代單晶PW1487材料加工的葉片，並塗有熱障塗層；F119發動機高壓渦輪葉片也采用單晶材料加工；GE90發動機高壓渦輪葉片采用ReneN5單晶材料加工，並塗有鋁鉑塗層；F414發動機高、低壓渦輪葉片也由單晶材料加工，並塗有物理氣相沈積熱障塗層(PVDTBC)；EJ200發動機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-羅等公司正在開發更先進的材料和塗層。
5.無螺栓擋板技術
渦輪葉片和盤之間無螺栓擋板連接技術取消了傳統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生的應力集中系數，而且結構簡單、安裝容易。20世紀70年代後期，通用電氣公司就開始開發無螺栓擋板技術，現已發展成熟。
四、加力燃燒室和噴管技術
1.加力燃燒室技術
加力燃燒室是軍用發動機所獨有的部件。通用電氣公司的F120、F414和F110-GE -129EFE發動機先後采用了徑向加力燃燒室。徑向加力燃燒室由混合器、壁式火焰穩定器、徑向隔熱罩/火焰穩定器、中心體和噴油桿等構成。這壹設計降低了發動機的復雜性，改善了維修性，提高了可靠性，同時由於采用了先進冷卻技術而延長了部件壽命。
2.推力矢量噴管技術
推力矢量噴管是通過改變排氣方向產生非軸向力的技術，被譽為航空領域革命性的技術。20世紀70年代以來，美國、俄羅斯、西班牙等國家研究了球形收斂調節片推力矢量噴管（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發動機）和三環定向推力矢量噴管等多種推力矢量噴管，並於90年代進行了地面和飛行驗證。目前，F119發動機（配裝F22飛機）的二元俯仰推力矢量噴管和AL37-FU發動機（配裝SU-37飛機）的俯仰軸對稱推力矢量噴管已接近實用。EJ200和F110-132發動機也準備采用推力矢量噴管。
五、 電調技術
通用電氣公司目前在電調方面研制了高可靠性附件，提高了電子系統的能力。與第2代的全功能數字式發動機控制系統（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，計劃用於GE90-115B和GP7000系列發動機上。通用電氣公司還開發了由單馬達驅動多倍閥的液壓多倍器，可以取代作動器和復雜的系統，使整個系統的重量減輕14%，部件數減少44%，可靠性提高30%以上，現已在GP7000核心機上得到驗證。
六、 刷式密封技術
刷式密封由內、外夾板和1組緊密刷絲構成。緊密刷絲夾在內、外夾板之間，順著轉動方向傾斜45°～55°，被固定在轉動端面上，以減少摩擦和磨損。軸發生偏轉時，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塗層運轉，防止或減少軸的磨損。即使軸瞬時發生很大的偏移，刷式密封也可以收到良好的密封效果。因而，與常規密封相比，刷式密封能更大幅度地減少泄漏量。
七、結束語
目前，美國、英國和俄羅斯等國家已經開發了大量的先進技術，研制出了推重比10級的軍民用渦扇發動機，並在積極地實施IHPTET計劃、通用的經濟可承受的渦輪發動機技術(VAATE)計劃、先進軍用核心機(ACME)計劃、TECH56計劃、超高效發動機技術(UEET)計劃等發動機預先研究計劃，為在21世紀初研制出推重比15～20甚至20～30的軍用航空發動機和超高效的民用發動機做好了充分的技術準備。