航空发动机

普惠下一代战斗机动力发展策略
2015-07-27 16:34 国际航空 国际航空

http://www.cannews.com.cn/2015/0727/129981.shtml



核心提示： 虽然GE公司的自适应循环发动机研制处于领先地位，但是普惠公司以其现役的两款战斗机发动机（F119、F135）技术为基础，通过材料应用关键技术创新，确保在自适应循环发动机研制中也占有一席之地。



虽然美国还没有披露下一代战斗机发动机的设计指标要求，但是以海军F/A-XX和空军F-X为代表的第六代战斗机的起飞总重、机动性和作战半径等都较现役的F-22和F-35战斗机有较大的提升。

下一代动力性能要求

为了实现雷达的全频域隐身，下一代战斗机需要携带更多的机载设备载荷；在整体机队规模缩小的情况下，为了维持战斗力，下一代战斗机需要携带更多的战斗载荷。上述两项要求发动机有较大的起飞推力。随着美国海外军事基地维持难度的增加和任务隐蔽性、突然性要求的上升，下一代战斗机的作战半径需要增大，同时要具备更好的不开加力超声速巡航能力。虽然由于雷达、红外等超视距侦察能力和空空导弹能力的不断提高，战斗机之间的空中格斗几率下降，但仍然需要下一代战斗机在接敌时具有更快的速度和更强的动力。

这些指标虽不精确，对发动机的能力提升要求却是巨大的。大作战半径需要发动机具有更低的耗油率和更好的亚声速巡航效率；大起飞总重、高机动性则需要发动机具有更大的推力、更快的推力变化；超声速巡航要求发动机配有能力更强的核心机，高压压气机压比和高压涡轮进口总温都要有较大的提高，同时需要高低压涡轮具有更强的变工况工作能力及高温疲劳强度。与此同时，发动机还需要满足隐身、特别是红外隐身的要求。这些相互矛盾的需要对发动机的设计提出了较大的挑战。能在涡喷和涡扇之间、或者在小涵道比和中涵道比之间实现模式转换的变循环发动机（VCE）是能够满足上述对发动机需求的解决方案之一。

实际上，在20世纪90年代，GE公司的YF120双涵道变循环发动机方案已经展示出变循环发动机在未来航空动力装备中的重要用途。2006年，美国空军研究实验室（AFRL）提出了自适应发动机概念，并于2007年正式实施自适应通用发动机技术（ADVENT）项目，由此拉开了美国军方正式推动变循环技术发展的大幕。

在此基础上，AFRL于2012年开始实施自适应发动机技术发展（AETD）项目，预计在2016年结束。其后续计划——自适应发动机转移项目（AETP），也已经规划完毕，预计2020年结束。同时，美国海军作为ADVENT计划的参与者，也投入了部分资金，并从2012财年开始实施变循环先进技术验证（VCAT）项目。VCAT计划将在美国空军的ADVENT 计划研究基础上，根据海军的需求（包括降低发动机噪声、适应航母飞行甲板上的起降作业等需求）开展研究，使美国海军下一代战斗机用变循环发动机的技术成熟度达到4～5级。

普惠的优势

美国军方已经表示采用自适应循环发动机（ACE）作为第六代战斗机动力。与普惠公司相比，GE公司是具有较大技术优势的发动机研制商，其关于变循环燃气涡轮发动机的研制最为成功。GE公司从20世纪60年代初期就开始着手研究VCE概念，先后提出了变量泵压气机（VAPCOM）、涡喷/涡扇复合循环、涡轮增强循环发动机（TACE）、串/并连模式变循环概念、三轴可调涵道比变循环概念（MOBY）等多种VCE方案。1976年后，GE公司的VCE研制进入了实质进展阶段，迄今已经发展了4代，目前正在研制第5代VCE。2007年以来，GE公司参加了美国空军全部的ACE研究计划，包括已经规划、尚未实施的AETP项目。在自适应风扇、转子叶片上的风扇（FLADE）、第三涵道、换热器、陶瓷基复合材料（CMC）等方面先进技术研发上取得了显著的成果。

在变循环发动机的研发上，普惠公司虽然也一直在参与，但是其实质性研究成果数量较GE公司相差较多。普惠公司在第六代战斗机发动机研发方面的主要优势：拥有目前美国最先进的两型进入服役序列的战斗机发动机；在自适应发动机的研制中也占有一席之地，而且在关键技术上有更高一级的创新。

美国目前最先进的现役战斗机发动机是F119和F135，这两型发动机都是由普惠公司研制的。两型发动机的研制过程使普惠公司先进航空发动机技术的成熟度与工程化应用水平提高了一个等级。另外发动机服役之后的维护、维修与改进改型所获得的经验与数据以及用户反馈，都将使普惠公司的航空发动机研发能力得到较大提升。特别是F135发动机是世界上唯一一型进入服役序列的推重比为10的发动机。其低压涡轮具有非常强大的变工况工作能力，可以在转速基本不变、效率仅下降3%的情况下，在10s之内多输出22000kW的功率。这对下一代战斗机采用定向能武器具有至关重要的支撑作用。

自适应发动机是变循环发动机的高级形式，也可以称之为三涵道变循环发动机，是目前美国军方支持的重点。虽然普惠在双涵道VCE中优势不明显，但在ACE中却充分展示了雄厚的先进技术实力。普惠公司没有中标ADVENT项目，但强势进入了后续的AETD和AETP项目，而且在美国海军的VCAT项目中竞标成功。

发展战略

面对美国军方对第六代战斗机发动机的选择以及目前在技术上的优势和不足，普惠公司在第六代战斗机发动机研发上采取了“确保改进、力争改型”的策略。“确保改进”，即通过对F135进行改进技术、提高性能，确保其在F-35战斗机服役期内作为唯一发动机使用；“力争改型”，即以F135为基线平台，对其进行自适应循环特征的技术升级与改型，以争取第六代战斗机发动机选型成功。这个发展策略既包括升级F135，同时也明确了使用F135作为改进载体、研究下一代自适应循环发动机。

确保改进

美国军方目前还没有升级F135的明确需求，但是普惠公司已经开始利用各种渠道开展研究工作。普惠公司目前与海军在燃油改善项目上进行合作，同时结合了涡轮冷却技术。此技术最近在XTE68/LF1验证机上进行了试验，并计划2016年在F-35上进行装机试验，预计会使F-35降低5%的燃油消耗。涡轮叶片冷却技术在2013年就在XTE68/LF1验证机上成功进行了试验，使批量生产的F135发动机实现了约2400K的最高涡轮进口温度。这些涉及的技术已经达到了一个较高的技术成熟度，预计在2018年左右就可以在发动机上使用。

此外，普惠公司还在开展F135使用寿命延长计划，主要目标是增强其承担载荷的能力，以提高50%的使用寿命。主要的技术途径就是降低全任务过程中的发动机平均循环温度。普惠公司认为提高使用寿命的一大因素就是降低发动机的大修次数，所以确定了减少F135维护成本30%的目标，同时可以延长F135的在翼时间。这项改进研究符合美国联合项目办公室和海军真正的关注重点，即减少战斗机在全生命周期内的成本。

力争改型

普惠公司与AFRL合作，在AETP项目中把变循环技术加载到F135上，相关的资金预计2015年年底到位。AETP计划的目标是发展一型200kN推力级的战斗机发动机，使其成为F-35战斗机未来换发的一个可能选择。

普惠公司和GE公司目前都在与AFRL合作进行AETD项目的研究。AETD项目将在2016年结束，其研究成果将使自适应发动机技术提高一个成熟度等级，降低工程和制造发展（EMD）阶段的风险。普惠公司正在开展AETD发动机初步设计评审，并已开始组装新的高压比核心机，其技术大部分借鉴了普惠公司的齿轮传动风扇发动机PW1000G的核心机技术，成熟度较高。普惠公司已经进行了三涵道自适应风扇的台架试验，并计划2016年在佛罗里达州的西棕榈滩试验基地，将自适应风扇装在F135上进行全尺寸发动机测试，该发动机也将装配有第三涵道和带有加力的排气系统。

F135改型自适应循环发动机最大的问题是F-35战斗机机身比较紧凑，没有太多的回旋余地，这使第三涵道的安装难度较大。普惠公司需要与洛克希德·马丁公司一道进行深度的飞发一体化设计与改型，在减小飞机内部空间与增加发动机第三涵道之间寻找一个平衡点。

除了与AFRL合作外，普惠公司与海军在VCAT项目上也展开合作，以确定和提高未来舰载战术、情报、监视和侦察系统中使用的自适应循环技术成熟度。VCAT项目充分利用了AFRL发起的变循环研究成果，其主要技术途径之一是探索使用涡轮升级改型来实现自适应循环。

由于普惠公司是基于现役发动机进行技术升级与改型项目，所以可以以较低的成本获得较大的技术改进。普惠公司认为，自适应循环改型是真正在已有的成熟基础上“挤”出这些改善性能、降低全生命周期费用的技术，所以这些技术一旦取得进展，在发动机型号上成熟应用将会是一个较快的过程。

关键技术创新

在自适应循环发动机技术中，被公认的最先进的技术是陶瓷基复合材料（CMC）的应用。普惠公司针对未来的商用和军用发动机，策略是发展可应用在高压涡轮转子结构上，能承受更高温度的CMC材料。这与GE公司的CMC应用观点完全不同，GE公司认为CMC应用在静子结构和低压涡轮转子结构上会取得更大的收益。

普惠制订这项策略的原因有两个：一是普惠的新发动机低压涡轮级数采用了低级数结构设计；二是热传导合金性能的不断改善。

普惠公司重点发展的是2700K水平的CMC。由于普惠公司的新发动机的低压涡轮只有3级，所以承受较低温度的CMC在普惠发动机结构中没有太多优势。与此相对，普惠公司着眼于在未来的高压涡轮转子叶片中使用高温CMC，这是可能会产生最大收益的地方，同时也是最大程度地利用CMC密度低、重量小的特点。

同时，普惠公司认为CMC用于静子部件还需研究，主要原因是除了制造成本外，CMC的导热系数相对比较低，而静子结构的重量要求比高温转子结构低。所以原则上可以使用导热系数更好的材料，比如更高级的合金以应用在静子结构中，减少冷气的引用量。普惠公司使用PW1524G发动机（2级高压涡轮+3级低压涡轮）进行了相关试验，以证明在低压涡轮级数较少的结构中，静子部件使用CMC收益不是很多。

普惠公司也在研究使用单片陶瓷用于空气密封，以及使用铌、钴和钼一类的先进合金在静子结构上实现耐高温的能力。由于这些合金的导热系数非常高，性能可以得到极大的提升。

（ 杨殿成 朱大明）


普惠下一代战斗机动力发展策略
2015-07-27 16:34 国际航空 国际航空

http://www.cannews.com.cn/2015/0727/129981.shtml



核心提示： 虽然GE公司的自适应循环发动机研制处于领先地位，但是普惠公司以其现役的两款战斗机发动机（F119、F135）技术为基础，通过材料应用关键技术创新，确保在自适应循环发动机研制中也占有一席之地。



虽然美国还没有披露下一代战斗机发动机的设计指标要求，但是以海军F/A-XX和空军F-X为代表的第六代战斗机的起飞总重、机动性和作战半径等都较现役的F-22和F-35战斗机有较大的提升。

下一代动力性能要求

为了实现雷达的全频域隐身，下一代战斗机需要携带更多的机载设备载荷；在整体机队规模缩小的情况下，为了维持战斗力，下一代战斗机需要携带更多的战斗载荷。上述两项要求发动机有较大的起飞推力。随着美国海外军事基地维持难度的增加和任务隐蔽性、突然性要求的上升，下一代战斗机的作战半径需要增大，同时要具备更好的不开加力超声速巡航能力。虽然由于雷达、红外等超视距侦察能力和空空导弹能力的不断提高，战斗机之间的空中格斗几率下降，但仍然需要下一代战斗机在接敌时具有更快的速度和更强的动力。

这些指标虽不精确，对发动机的能力提升要求却是巨大的。大作战半径需要发动机具有更低的耗油率和更好的亚声速巡航效率；大起飞总重、高机动性则需要发动机具有更大的推力、更快的推力变化；超声速巡航要求发动机配有能力更强的核心机，高压压气机压比和高压涡轮进口总温都要有较大的提高，同时需要高低压涡轮具有更强的变工况工作能力及高温疲劳强度。与此同时，发动机还需要满足隐身、特别是红外隐身的要求。这些相互矛盾的需要对发动机的设计提出了较大的挑战。能在涡喷和涡扇之间、或者在小涵道比和中涵道比之间实现模式转换的变循环发动机（VCE）是能够满足上述对发动机需求的解决方案之一。

实际上，在20世纪90年代，GE公司的YF120双涵道变循环发动机方案已经展示出变循环发动机在未来航空动力装备中的重要用途。2006年，美国空军研究实验室（AFRL）提出了自适应发动机概念，并于2007年正式实施自适应通用发动机技术（ADVENT）项目，由此拉开了美国军方正式推动变循环技术发展的大幕。

在此基础上，AFRL于2012年开始实施自适应发动机技术发展（AETD）项目，预计在2016年结束。其后续计划——自适应发动机转移项目（AETP），也已经规划完毕，预计2020年结束。同时，美国海军作为ADVENT计划的参与者，也投入了部分资金，并从2012财年开始实施变循环先进技术验证（VCAT）项目。VCAT计划将在美国空军的ADVENT 计划研究基础上，根据海军的需求（包括降低发动机噪声、适应航母飞行甲板上的起降作业等需求）开展研究，使美国海军下一代战斗机用变循环发动机的技术成熟度达到4～5级。

普惠的优势

美国军方已经表示采用自适应循环发动机（ACE）作为第六代战斗机动力。与普惠公司相比，GE公司是具有较大技术优势的发动机研制商，其关于变循环燃气涡轮发动机的研制最为成功。GE公司从20世纪60年代初期就开始着手研究VCE概念，先后提出了变量泵压气机（VAPCOM）、涡喷/涡扇复合循环、涡轮增强循环发动机（TACE）、串/并连模式变循环概念、三轴可调涵道比变循环概念（MOBY）等多种VCE方案。1976年后，GE公司的VCE研制进入了实质进展阶段，迄今已经发展了4代，目前正在研制第5代VCE。2007年以来，GE公司参加了美国空军全部的ACE研究计划，包括已经规划、尚未实施的AETP项目。在自适应风扇、转子叶片上的风扇（FLADE）、第三涵道、换热器、陶瓷基复合材料（CMC）等方面先进技术研发上取得了显著的成果。

在变循环发动机的研发上，普惠公司虽然也一直在参与，但是其实质性研究成果数量较GE公司相差较多。普惠公司在第六代战斗机发动机研发方面的主要优势：拥有目前美国最先进的两型进入服役序列的战斗机发动机；在自适应发动机的研制中也占有一席之地，而且在关键技术上有更高一级的创新。

美国目前最先进的现役战斗机发动机是F119和F135，这两型发动机都是由普惠公司研制的。两型发动机的研制过程使普惠公司先进航空发动机技术的成熟度与工程化应用水平提高了一个等级。另外发动机服役之后的维护、维修与改进改型所获得的经验与数据以及用户反馈，都将使普惠公司的航空发动机研发能力得到较大提升。特别是F135发动机是世界上唯一一型进入服役序列的推重比为10的发动机。其低压涡轮具有非常强大的变工况工作能力，可以在转速基本不变、效率仅下降3%的情况下，在10s之内多输出22000kW的功率。这对下一代战斗机采用定向能武器具有至关重要的支撑作用。

自适应发动机是变循环发动机的高级形式，也可以称之为三涵道变循环发动机，是目前美国军方支持的重点。虽然普惠在双涵道VCE中优势不明显，但在ACE中却充分展示了雄厚的先进技术实力。普惠公司没有中标ADVENT项目，但强势进入了后续的AETD和AETP项目，而且在美国海军的VCAT项目中竞标成功。

发展战略

面对美国军方对第六代战斗机发动机的选择以及目前在技术上的优势和不足，普惠公司在第六代战斗机发动机研发上采取了“确保改进、力争改型”的策略。“确保改进”，即通过对F135进行改进技术、提高性能，确保其在F-35战斗机服役期内作为唯一发动机使用；“力争改型”，即以F135为基线平台，对其进行自适应循环特征的技术升级与改型，以争取第六代战斗机发动机选型成功。这个发展策略既包括升级F135，同时也明确了使用F135作为改进载体、研究下一代自适应循环发动机。

确保改进

美国军方目前还没有升级F135的明确需求，但是普惠公司已经开始利用各种渠道开展研究工作。普惠公司目前与海军在燃油改善项目上进行合作，同时结合了涡轮冷却技术。此技术最近在XTE68/LF1验证机上进行了试验，并计划2016年在F-35上进行装机试验，预计会使F-35降低5%的燃油消耗。涡轮叶片冷却技术在2013年就在XTE68/LF1验证机上成功进行了试验，使批量生产的F135发动机实现了约2400K的最高涡轮进口温度。这些涉及的技术已经达到了一个较高的技术成熟度，预计在2018年左右就可以在发动机上使用。

此外，普惠公司还在开展F135使用寿命延长计划，主要目标是增强其承担载荷的能力，以提高50%的使用寿命。主要的技术途径就是降低全任务过程中的发动机平均循环温度。普惠公司认为提高使用寿命的一大因素就是降低发动机的大修次数，所以确定了减少F135维护成本30%的目标，同时可以延长F135的在翼时间。这项改进研究符合美国联合项目办公室和海军真正的关注重点，即减少战斗机在全生命周期内的成本。

力争改型

普惠公司与AFRL合作，在AETP项目中把变循环技术加载到F135上，相关的资金预计2015年年底到位。AETP计划的目标是发展一型200kN推力级的战斗机发动机，使其成为F-35战斗机未来换发的一个可能选择。

普惠公司和GE公司目前都在与AFRL合作进行AETD项目的研究。AETD项目将在2016年结束，其研究成果将使自适应发动机技术提高一个成熟度等级，降低工程和制造发展（EMD）阶段的风险。普惠公司正在开展AETD发动机初步设计评审，并已开始组装新的高压比核心机，其技术大部分借鉴了普惠公司的齿轮传动风扇发动机PW1000G的核心机技术，成熟度较高。普惠公司已经进行了三涵道自适应风扇的台架试验，并计划2016年在佛罗里达州的西棕榈滩试验基地，将自适应风扇装在F135上进行全尺寸发动机测试，该发动机也将装配有第三涵道和带有加力的排气系统。

F135改型自适应循环发动机最大的问题是F-35战斗机机身比较紧凑，没有太多的回旋余地，这使第三涵道的安装难度较大。普惠公司需要与洛克希德·马丁公司一道进行深度的飞发一体化设计与改型，在减小飞机内部空间与增加发动机第三涵道之间寻找一个平衡点。

除了与AFRL合作外，普惠公司与海军在VCAT项目上也展开合作，以确定和提高未来舰载战术、情报、监视和侦察系统中使用的自适应循环技术成熟度。VCAT项目充分利用了AFRL发起的变循环研究成果，其主要技术途径之一是探索使用涡轮升级改型来实现自适应循环。

由于普惠公司是基于现役发动机进行技术升级与改型项目，所以可以以较低的成本获得较大的技术改进。普惠公司认为，自适应循环改型是真正在已有的成熟基础上“挤”出这些改善性能、降低全生命周期费用的技术，所以这些技术一旦取得进展，在发动机型号上成熟应用将会是一个较快的过程。

关键技术创新

在自适应循环发动机技术中，被公认的最先进的技术是陶瓷基复合材料（CMC）的应用。普惠公司针对未来的商用和军用发动机，策略是发展可应用在高压涡轮转子结构上，能承受更高温度的CMC材料。这与GE公司的CMC应用观点完全不同，GE公司认为CMC应用在静子结构和低压涡轮转子结构上会取得更大的收益。

普惠制订这项策略的原因有两个：一是普惠的新发动机低压涡轮级数采用了低级数结构设计；二是热传导合金性能的不断改善。

普惠公司重点发展的是2700K水平的CMC。由于普惠公司的新发动机的低压涡轮只有3级，所以承受较低温度的CMC在普惠发动机结构中没有太多优势。与此相对，普惠公司着眼于在未来的高压涡轮转子叶片中使用高温CMC，这是可能会产生最大收益的地方，同时也是最大程度地利用CMC密度低、重量小的特点。

同时，普惠公司认为CMC用于静子部件还需研究，主要原因是除了制造成本外，CMC的导热系数相对比较低，而静子结构的重量要求比高温转子结构低。所以原则上可以使用导热系数更好的材料，比如更高级的合金以应用在静子结构中，减少冷气的引用量。普惠公司使用PW1524G发动机（2级高压涡轮+3级低压涡轮）进行了相关试验，以证明在低压涡轮级数较少的结构中，静子部件使用CMC收益不是很多。

普惠公司也在研究使用单片陶瓷用于空气密封，以及使用铌、钴和钼一类的先进合金在静子结构上实现耐高温的能力。由于这些合金的导热系数非常高，性能可以得到极大的提升。

（ 杨殿成 朱大明）