综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/27 01:15:56
航空发动机的发展技术难度大、周期长、费用高、风险大,市场竞争非常激烈,目前国外能独立研制先进军用航空发动机的国家只有美国、英国、法国和俄罗斯等少数几个国家。这些国家长期以来始终高度重视航空发动机技术的研究和发展,投入大量资金,通过连续不断地实施先进航空发动机技术的研究与验证计划,为其占据当今世界航空发动机领域的领先地位奠定了坚实的基础。美国综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划、欧洲先进核心军用发动机(ACME)计划和美国多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划是国外军用航空发动机技术计划的典型代表。

  1 综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划
  IHPTET计划是美国从1987年开始实施的一项范围广泛的国家级航空发动机技术发展与验证计划,目标是到2005年使航空推进系统能力翻一番,即发动机的推重比(功重比)增加100%~120%,耗油率下降30%~40%,生产和维护成本降低35%~60%。参与该计划的包括美国国防预研局(DARPA)、陆军、海军、空军、NASA和七家航空发动机公司。

  IHPTET计划发展的技术包括涡喷/涡扇发动机、涡桨/涡轴发动机和短寿命的发动机,该计划分个三阶段(见表1)进行,总经费投入为50亿美元,每年平均3亿多美元。

  IHPTET计划第一阶段验证的技术包括小展弦比后掠风扇、阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷式密封、陶瓷复合材料的燃烧室火焰筒浮壁、"超冷"涡轮叶片和球形收敛调节片尾喷管(SCFN)。第二阶段验证的技术包括压气机整体叶环结构、"铸冷"涡轮叶片、涡轮整体叶盘、耐700℃~800℃的γ钛铝合金、周向分级燃烧室、陶瓷轴承。第三阶段验证的技术包括分隔式叶片风扇、高压比压气机(4级达到F100发动机10级的压比)、驻涡火焰稳定燃烧室、燃烧室主动温度控制、陶瓷基复合材料火焰筒、碳-碳复合材料涡轮、陶瓷材料涡轮、磁浮轴承、气膜轴承、骨架式结构、内装式整体起动发电机、模型基分布式控制系统、非稳态计算流体力学(CFD)仿真技术和射流控制矢量喷管等。

  目前,该计划已经顺利结束并获得了很大成功(见表2),该计划所发展的技术很多已经用于现有军民用发动机的改进改型和新型号发展中,使现有航空推进系统的性能达到了更高水平。军用发动机F119、F135、F136、F404、F414、F100和F110应用了该计划验证的宽弦风扇整体叶盘、多斜孔冷却燃烧室、刷式密封、高功量"超冷"高温涡轮、整体旋流加力燃烧室、二元和轴对称推力矢量喷管以及带光纤部件的先进的全权限数字式发动机控制系统(FADEC)技术。民用发动机GE90、PW4084、CFM56-7、AE3007和FJ44采用了该计划验证的双头部燃烧室、浮壁燃烧室、气膜冷却火焰筒、"铸冷"单晶涡轮叶片、复合材料风扇叶片、隔热涂层、先进的FADEC、空心弯掠风扇叶片、可磨蚀涡轮叶尖和无螺栓固定等技术。

  2 多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划
  为保持在21世纪的领先优势,美国从1999年开始实施IHPTET的后继计划--多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划,目标是为未来轰炸机、无人作战飞机、先进隐身作战飞机、先进运输机、低成本空间飞行器和垂直/短距起降(V/STOL)飞机提供多种收益,包括增加航程,减小保障规模,提高战备完好率,降低噪声、排放和可探测性(隐身),以及提供高速续航力。技术目标是到2017年验证使发动机的能力/成本比是F119的十倍的技术。

  VAATE计划的参研单位包括美国陆军、空军、海军、DARPA、NASA和六家飞机发动机公司(通用电气、霍尼韦尔、普惠、罗罗、威廉斯和特里达因大陆发动机公司),三家飞机机体制造商(波音公司、洛克希德·马丁公司和诺斯罗普·格鲁门公司)也参与了该计划,另外该计划还新增了国防部办公室(OSD)和能源部(DOE)。

  与IHPTET计划一样,VAATE计划的目的是集中政府和工业部门在涡轮发动机技术领域的研究和发展资源来达到一个共同的目标。VAATE计划同样有相对稳定的投资,并规定了新技术发展和验证的时间进度。但是,IHPTET计划的重点在于发动机本身的能力,而VAATE计划的重点在于整个飞行器推进系统的性能,包括进气道、排气系统、第二动力系统和燃油系统,以及它们与飞机机体的一体化,并且将经济可承受性作为一个重要指标。与IHPTET计划一样,VAATE计划也是一项分三阶段实施的国家级涡轮发动机技术发展计划。

VAATE计划将发展从小型一次性使用的涡喷发动机、直升机用涡轴发动机到大型涡扇发动机等一系列的验证机。预计,VAATE计划所需经费与IHPTET计划相当,年均大约3亿美元。

  VAATE计划发展的技术包括综合的热管理系统、流量可控的先进进气道、多用途大流量压气机、紧凑高效的低污染燃烧室、综合的健康管理系统、模型基非线性适应性控制系统、轻重量抗畸变风扇、长效全寿命涡轮、先进的燃油添加剂/热稳定高热沉燃料、一体化的涡轮后框架和加力燃烧室、耐久的推力矢量排气系统等。目前,VAATE计划正在下述六种"改变游戏规则"的发动机验证平台上验证这些技术:
  (1)高效小尺寸推进(ESSP):可使未来长航时无人机和巡航导弹的燃油效率提高35%~40%,同时减少生产成本。
  (2)小型重油发动机(SHFE):使未来无人飞机和有人飞机的航程、载荷和耐久性更好,该计划是由美国陆军领导的,在用于直升机和无人机的520kW涡轴发动机上验证燃油消耗和成本减少的技术。
  (3)高速涡轮发动机验证机(HiSTED):将为多种武器发射平台提供范围宽广的、低成本的、速度M4以上的推进能力。使到达目标的时间减少80%,可灵活地执行超声速巡航/亚声速待机任务。
  (4)结构紧凑的高效直接升力发动机(CEEDLE):可满足未来大型运输机对远程、高亚声速巡航和短距起飞(垂直)降落能力的要求。该发动机可省去目前升力风扇发动机的轴和离合器等部件,使任务半径增加2~4倍。
  (5)高效嵌入式涡轮发动机(HEETE):将发展一种推力为8900~15575daN的在飞机上嵌入安装的发动机,可满足中高空情报、监视和侦察平台的需求,使燃油效率提高25%、发动机推重比提高60%、待机时间增加2倍,功率提取达到400kW。将研究空气密封技术、主动间隙控制技术、对冷却空气进行冷却的结构紧凑的轻重量热交换器等。
  (6)自适应循环发动机(ACE):可根据多种飞行条件选择自己的特性,在高速和低速飞行都具有最佳的性能,将满足远程轰炸机的动力需求,这种飞机可不加力以M2.4的速度飞越很长距离,迅速到达目标,然后转变为节省燃油的待机模式工作,持续飞行数小时。

  3 先进核心军用发动机(ACME)/军用发动机技术(AMET)计划
  先进核心军用发动机(ACME)计划始于20世纪70年代,是英国一个长期的军用航空发动机技术综合验证计划,计划发起方为英国国防部、皇家飞机设计院和国家燃气涡轮研究院,主要资助方为英国国防部和罗罗公司,其次还有德国的MTU公司和意大利的FIAT公司。迄今为止,ACME计划是英国和欧洲投资最多、规模最大的一个军用发动机技术发展计划。

   ACME计划的总目标是提供未来先进战斗机发动机所需技术,尽管该计划的目标并不是研制一种发动机,但有如下技术目标:推力达到8896~11120daN,推重比达到10和12,总压气机级数减少到6~7级,总增压比达到24左右。ACME计划主要发展推力矢量系统、双转子和三转子加力涡扇发动机技术。该计划发展的内容包括新的陶瓷材料、合金材料和冷却技术的研究,以及三维流分析和建模。

  该计划共分两个阶段,1982年~1993年为第一阶段,在此期间,ACME计划的大部分工作已经完成,所发展的技术已实际应用于RB199、"鹞"Ⅱ及AV-8B垂直/短距起降飞机用"飞马"发动机和欧洲战斗机"台风"用EJ200发动机的发展。最近,罗罗公司又将ACME技术转移到其先进的民用核心机验证机计划中,并且这些技术也有可能用于罗·罗公司目前正在进行的RB411发动机的设计。今后,ACME技术还可能用于F110、RB419、罗罗公司的大涵道比风扇发动机、罗罗公司的前后串列风扇项目、远距加力升力系统、远距非加力升力系统以及先进军用发动机技术(AMET)计划。

  ACME计划第二阶段正在进行中,目标是发动机的重量降低50%,推重比达到20,耗油率降低30%,制造成本降低30%,寿命期成本降低25%。这一阶段的验证机将于2011年前首次试车。

  AMET计划是一项英法双边合作计划,该计划全面吸收了ACME计划所取得的成果。该计划从1995年开始实施,目标是研制一种推重比15的发动机,最后达到推重比18的目标。目前,两公司正在研究将金属基复合材料用于高推重比发动机的高压压气机上,另外,也在研究改进的镍基单晶材料、发展更先进的叶片涂层和改进冷却使高压涡轮进口温度可达到1827℃(2100K航空发动机的发展技术难度大、周期长、费用高、风险大,市场竞争非常激烈,目前国外能独立研制先进军用航空发动机的国家只有美国、英国、法国和俄罗斯等少数几个国家。这些国家长期以来始终高度重视航空发动机技术的研究和发展,投入大量资金,通过连续不断地实施先进航空发动机技术的研究与验证计划,为其占据当今世界航空发动机领域的领先地位奠定了坚实的基础。美国综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划、欧洲先进核心军用发动机(ACME)计划和美国多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划是国外军用航空发动机技术计划的典型代表。

  1 综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划
  IHPTET计划是美国从1987年开始实施的一项范围广泛的国家级航空发动机技术发展与验证计划,目标是到2005年使航空推进系统能力翻一番,即发动机的推重比(功重比)增加100%~120%,耗油率下降30%~40%,生产和维护成本降低35%~60%。参与该计划的包括美国国防预研局(DARPA)、陆军、海军、空军、NASA和七家航空发动机公司。

  IHPTET计划发展的技术包括涡喷/涡扇发动机、涡桨/涡轴发动机和短寿命的发动机,该计划分个三阶段(见表1)进行,总经费投入为50亿美元,每年平均3亿多美元。

  IHPTET计划第一阶段验证的技术包括小展弦比后掠风扇、阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷式密封、陶瓷复合材料的燃烧室火焰筒浮壁、"超冷"涡轮叶片和球形收敛调节片尾喷管(SCFN)。第二阶段验证的技术包括压气机整体叶环结构、"铸冷"涡轮叶片、涡轮整体叶盘、耐700℃~800℃的γ钛铝合金、周向分级燃烧室、陶瓷轴承。第三阶段验证的技术包括分隔式叶片风扇、高压比压气机(4级达到F100发动机10级的压比)、驻涡火焰稳定燃烧室、燃烧室主动温度控制、陶瓷基复合材料火焰筒、碳-碳复合材料涡轮、陶瓷材料涡轮、磁浮轴承、气膜轴承、骨架式结构、内装式整体起动发电机、模型基分布式控制系统、非稳态计算流体力学(CFD)仿真技术和射流控制矢量喷管等。

  目前,该计划已经顺利结束并获得了很大成功(见表2),该计划所发展的技术很多已经用于现有军民用发动机的改进改型和新型号发展中,使现有航空推进系统的性能达到了更高水平。军用发动机F119、F135、F136、F404、F414、F100和F110应用了该计划验证的宽弦风扇整体叶盘、多斜孔冷却燃烧室、刷式密封、高功量"超冷"高温涡轮、整体旋流加力燃烧室、二元和轴对称推力矢量喷管以及带光纤部件的先进的全权限数字式发动机控制系统(FADEC)技术。民用发动机GE90、PW4084、CFM56-7、AE3007和FJ44采用了该计划验证的双头部燃烧室、浮壁燃烧室、气膜冷却火焰筒、"铸冷"单晶涡轮叶片、复合材料风扇叶片、隔热涂层、先进的FADEC、空心弯掠风扇叶片、可磨蚀涡轮叶尖和无螺栓固定等技术。

  2 多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划
  为保持在21世纪的领先优势,美国从1999年开始实施IHPTET的后继计划--多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划,目标是为未来轰炸机、无人作战飞机、先进隐身作战飞机、先进运输机、低成本空间飞行器和垂直/短距起降(V/STOL)飞机提供多种收益,包括增加航程,减小保障规模,提高战备完好率,降低噪声、排放和可探测性(隐身),以及提供高速续航力。技术目标是到2017年验证使发动机的能力/成本比是F119的十倍的技术。

  VAATE计划的参研单位包括美国陆军、空军、海军、DARPA、NASA和六家飞机发动机公司(通用电气、霍尼韦尔、普惠、罗罗、威廉斯和特里达因大陆发动机公司),三家飞机机体制造商(波音公司、洛克希德·马丁公司和诺斯罗普·格鲁门公司)也参与了该计划,另外该计划还新增了国防部办公室(OSD)和能源部(DOE)。

  与IHPTET计划一样,VAATE计划的目的是集中政府和工业部门在涡轮发动机技术领域的研究和发展资源来达到一个共同的目标。VAATE计划同样有相对稳定的投资,并规定了新技术发展和验证的时间进度。但是,IHPTET计划的重点在于发动机本身的能力,而VAATE计划的重点在于整个飞行器推进系统的性能,包括进气道、排气系统、第二动力系统和燃油系统,以及它们与飞机机体的一体化,并且将经济可承受性作为一个重要指标。与IHPTET计划一样,VAATE计划也是一项分三阶段实施的国家级涡轮发动机技术发展计划。

VAATE计划将发展从小型一次性使用的涡喷发动机、直升机用涡轴发动机到大型涡扇发动机等一系列的验证机。预计,VAATE计划所需经费与IHPTET计划相当,年均大约3亿美元。

  VAATE计划发展的技术包括综合的热管理系统、流量可控的先进进气道、多用途大流量压气机、紧凑高效的低污染燃烧室、综合的健康管理系统、模型基非线性适应性控制系统、轻重量抗畸变风扇、长效全寿命涡轮、先进的燃油添加剂/热稳定高热沉燃料、一体化的涡轮后框架和加力燃烧室、耐久的推力矢量排气系统等。目前,VAATE计划正在下述六种"改变游戏规则"的发动机验证平台上验证这些技术:
  (1)高效小尺寸推进(ESSP):可使未来长航时无人机和巡航导弹的燃油效率提高35%~40%,同时减少生产成本。
  (2)小型重油发动机(SHFE):使未来无人飞机和有人飞机的航程、载荷和耐久性更好,该计划是由美国陆军领导的,在用于直升机和无人机的520kW涡轴发动机上验证燃油消耗和成本减少的技术。
  (3)高速涡轮发动机验证机(HiSTED):将为多种武器发射平台提供范围宽广的、低成本的、速度M4以上的推进能力。使到达目标的时间减少80%,可灵活地执行超声速巡航/亚声速待机任务。
  (4)结构紧凑的高效直接升力发动机(CEEDLE):可满足未来大型运输机对远程、高亚声速巡航和短距起飞(垂直)降落能力的要求。该发动机可省去目前升力风扇发动机的轴和离合器等部件,使任务半径增加2~4倍。
  (5)高效嵌入式涡轮发动机(HEETE):将发展一种推力为8900~15575daN的在飞机上嵌入安装的发动机,可满足中高空情报、监视和侦察平台的需求,使燃油效率提高25%、发动机推重比提高60%、待机时间增加2倍,功率提取达到400kW。将研究空气密封技术、主动间隙控制技术、对冷却空气进行冷却的结构紧凑的轻重量热交换器等。
  (6)自适应循环发动机(ACE):可根据多种飞行条件选择自己的特性,在高速和低速飞行都具有最佳的性能,将满足远程轰炸机的动力需求,这种飞机可不加力以M2.4的速度飞越很长距离,迅速到达目标,然后转变为节省燃油的待机模式工作,持续飞行数小时。

  3 先进核心军用发动机(ACME)/军用发动机技术(AMET)计划
  先进核心军用发动机(ACME)计划始于20世纪70年代,是英国一个长期的军用航空发动机技术综合验证计划,计划发起方为英国国防部、皇家飞机设计院和国家燃气涡轮研究院,主要资助方为英国国防部和罗罗公司,其次还有德国的MTU公司和意大利的FIAT公司。迄今为止,ACME计划是英国和欧洲投资最多、规模最大的一个军用发动机技术发展计划。

   ACME计划的总目标是提供未来先进战斗机发动机所需技术,尽管该计划的目标并不是研制一种发动机,但有如下技术目标:推力达到8896~11120daN,推重比达到10和12,总压气机级数减少到6~7级,总增压比达到24左右。ACME计划主要发展推力矢量系统、双转子和三转子加力涡扇发动机技术。该计划发展的内容包括新的陶瓷材料、合金材料和冷却技术的研究,以及三维流分析和建模。

  该计划共分两个阶段,1982年~1993年为第一阶段,在此期间,ACME计划的大部分工作已经完成,所发展的技术已实际应用于RB199、"鹞"Ⅱ及AV-8B垂直/短距起降飞机用"飞马"发动机和欧洲战斗机"台风"用EJ200发动机的发展。最近,罗罗公司又将ACME技术转移到其先进的民用核心机验证机计划中,并且这些技术也有可能用于罗·罗公司目前正在进行的RB411发动机的设计。今后,ACME技术还可能用于F110、RB419、罗罗公司的大涵道比风扇发动机、罗罗公司的前后串列风扇项目、远距加力升力系统、远距非加力升力系统以及先进军用发动机技术(AMET)计划。

  ACME计划第二阶段正在进行中,目标是发动机的重量降低50%,推重比达到20,耗油率降低30%,制造成本降低30%,寿命期成本降低25%。这一阶段的验证机将于2011年前首次试车。

  AMET计划是一项英法双边合作计划,该计划全面吸收了ACME计划所取得的成果。该计划从1995年开始实施,目标是研制一种推重比15的发动机,最后达到推重比18的目标。目前,两公司正在研究将金属基复合材料用于高推重比发动机的高压压气机上,另外,也在研究改进的镍基单晶材料、发展更先进的叶片涂层和改进冷却使高压涡轮进口温度可达到1827℃(2100K
国外典型的军用航空发动机技术发展计划  



胡晓煜




  航空发动机的发展技术难度大、周期长、费用高、风险大,市场竞争非常激烈,目前国外能独立研制先进军用航空发动机的国家只有美国、英国、法国和俄罗斯等少数几个国家。这些国家长期以来始终高度重视航空发动机技术的研究和发展,投入大量资金,通过连续不断地实施先进航空发动机技术的研究与验证计划,为其占据当今世界航空发动机领域的领先地位奠定了坚实的基础。美国综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划、欧洲先进核心军用发动机(ACME)计划和美国多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划是国外军用航空发动机技术计划的典型代表。



  1 综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划


  IHPTET计划是美国从1987年开始实施的一项范围广泛的国家级航空发动机技术发展与验证计划,目标是到2005年使航空推进系统能力翻一番,即发动机的推重比(功重比)增加100%~120%,耗油率下降30%~40%,生产和维护成本降低35%~60%。参与该计划的包括美国国防预研局(DARPA)、陆军、海军、空军、NASA和七家航空发动机公司。



  IHPTET计划发展的技术包括涡喷/涡扇发动机、涡桨/涡轴发动机和短寿命的发动机,该计划分个三阶段(见表1)进行,总经费投入为50亿美元,每年平均3亿多美元。



表1 IHPTET计划的阶段目标

  
第1阶段
第2阶段
第3阶段

  
(1995)
(2000)
(2005)



涡扇/涡喷:先进涡轮发动机燃气发生器/联合技术验证机发动机(ATEGG/JTDE)



推重比
+30%
+60%
+100%



燃烧室进口温度(SFC)


+37.8℃
+93.3℃
+204.4℃



生产成本


--
-20%
-35%



维护成本


--
-20%
-35%



涡轴/涡桨:联合涡轮先进燃气发生器(JTAGG)



SFC
-20%
-30%
-40%



功重比(shp/wt)


+40%
+80%
+120%



生产成本


--
-20%
-35%



维护成本


--
-20%
-35%



UAV/短寿命发动机:联合短寿命涡轮发动机概念(JTTEC)



SFC(战略导弹)
-20%
-30%
-40%



单位推力



(超声速战术导弹)
+35%
+70%
+100%



生产成本


-30%
-45%
-60%



表2  IHPTET计划的目标及其实现情况



参数


涡扇/涡喷发动机的目标



第一阶段(1995)
第二阶段(2000)
第三阶段(2005)
结果

推重比


+30%
+60%
+100%
+70%



燃烧室进口温度


+100℉
+200℉
+100℉
+60℉

生产成本


N/A
-20%
-35%
-32%

维护成本


N/A
-20%
-35%
-31%


  IHPTET计划第一阶段验证的技术包括小展弦比后掠风扇、阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷式密封、陶瓷复合材料的燃烧室火焰筒浮壁、"超冷"涡轮叶片和球形收敛调节片尾喷管(SCFN)。第二阶段验证的技术包括压气机整体叶环结构、"铸冷"涡轮叶片、涡轮整体叶盘、耐700℃~800℃的γ钛铝合金、周向分级燃烧室、陶瓷轴承。第三阶段验证的技术包括分隔式叶片风扇、高压比压气机(4级达到F100发动机10级的压比)、驻涡火焰稳定燃烧室、燃烧室主动温度控制、陶瓷基复合材料火焰筒、碳-碳复合材料涡轮、陶瓷材料涡轮、磁浮轴承、气膜轴承、骨架式结构、内装式整体起动发电机、模型基分布式控制系统、非稳态计算流体力学(CFD)仿真技术和射流控制矢量喷管等。



  目前,该计划已经顺利结束并获得了很大成功(见表2),该计划所发展的技术很多已经用于现有军民用发动机的改进改型和新型号发展中,使现有航空推进系统的性能达到了更高水平。军用发动机F119、F135、F136、F404、F414、F100和F110应用了该计划验证的宽弦风扇整体叶盘、多斜孔冷却燃烧室、刷式密封、高功量"超冷"高温涡轮、整体旋流加力燃烧室、二元和轴对称推力矢量喷管以及带光纤部件的先进的全权限数字式发动机控制系统(FADEC)技术。民用发动机GE90、PW4084、CFM56-7、AE3007和FJ44采用了该计划验证的双头部燃烧室、浮壁燃烧室、气膜冷却火焰筒、"铸冷"单晶涡轮叶片、复合材料风扇叶片、隔热涂层、先进的FADEC、空心弯掠风扇叶片、可磨蚀涡轮叶尖和无螺栓固定等技术。



  2 多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划


  为保持在21世纪的领先优势,美国从1999年开始实施IHPTET的后继计划--多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划,目标是为未来轰炸机、无人作战飞机、先进隐身作战飞机、先进运输机、低成本空间飞行器和垂直/短距起降(V/STOL)飞机提供多种收益,包括增加航程,减小保障规模,提高战备完好率,降低噪声、排放和可探测性(隐身),以及提供高速续航力。技术目标是到2017年验证使发动机的能力/成本比是F119的十倍的技术。



  VAATE计划的参研单位包括美国陆军、空军、海军、DARPA、NASA和六家飞机发动机公司(通用电气、霍尼韦尔、普惠、罗罗、威廉斯和特里达因大陆发动机公司),三家飞机机体制造商(波音公司、洛克希德·马丁公司和诺斯罗普·格鲁门公司)也参与了该计划,另外该计划还新增了国防部办公室(OSD)和能源部(DOE)。



  与IHPTET计划一样,VAATE计划的目的是集中政府和工业部门在涡轮发动机技术领域的研究和发展资源来达到一个共同的目标。VAATE计划同样有相对稳定的投资,并规定了新技术发展和验证的时间进度。但是,IHPTET计划的重点在于发动机本身的能力,而VAATE计划的重点在于整个飞行器推进系统的性能,包括进气道、排气系统、第二动力系统和燃油系统,以及它们与飞机机体的一体化,并且将经济可承受性作为一个重要指标。与IHPTET计划一样,VAATE计划也是一项分三阶段实施的国家级涡轮发动机技术发展计划。



  VAATE计划将发展从小型一次性使用的涡喷发动机、直升机用涡轴发动机到大型涡扇发动机等一系列的验证机。预计,VAATE计划所需经费与IHPTET计划相当,年均大约3亿美元。



  VAATE计划发展的技术包括综合的热管理系统、流量可控的先进进气道、多用途大流量压气机、紧凑高效的低污染燃烧室、综合的健康管理系统、模型基非线性适应性控制系统、轻重量抗畸变风扇、长效全寿命涡轮、先进的燃油添加剂/热稳定高热沉燃料、一体化的涡轮后框架和加力燃烧室、耐久的推力矢量排气系统等。目前,VAATE计划正在下述六种"改变游戏规则"的发动机验证平台上验证这些技术:


  (1)高效小尺寸推进(ESSP):可使未来长航时无人机和巡航导弹的燃油效率提高35%~40%,同时减少生产成本。


  (2)小型重油发动机(SHFE):使未来无人飞机和有人飞机的航程、载荷和耐久性更好,该计划是由美国陆军领导的,在用于直升机和无人机的520kW涡轴发动机上验证燃油消耗和成本减少的技术。


  (3)高速涡轮发动机验证机(HiSTED):将为多种武器发射平台提供范围宽广的、低成本的、速度M4以上的推进能力。使到达目标的时间减少80%,可灵活地执行超声速巡航/亚声速待机任务。


  (4)结构紧凑的高效直接升力发动机(CEEDLE):可满足未来大型运输机对远程、高亚声速巡航和短距起飞(垂直)降落能力的要求。该发动机可省去目前升力风扇发动机的轴和离合器等部件,使任务半径增加2~4倍。


  (5)高效嵌入式涡轮发动机(HEETE):将发展一种推力为8900~15575daN的在飞机上嵌入安装的发动机,可满足中高空情报、监视和侦察平台的需求,使燃油效率提高25%、发动机推重比提高60%、待机时间增加2倍,功率提取达到400kW。将研究空气密封技术、主动间隙控制技术、对冷却空气进行冷却的结构紧凑的轻重量热交换器等。


  (6)自适应循环发动机(ACE):可根据多种飞行条件选择自己的特性,在高速和低速飞行都具有最佳的性能,将满足远程轰炸机的动力需求,这种飞机可不加力以M2.4的速度飞越很长距离,迅速到达目标,然后转变为节省燃油的待机模式工作,持续飞行数小时。



  3 先进核心军用发动机(ACME)/军用发动机技术(AMET)计划


  先进核心军用发动机(ACME)计划始于20世纪70年代,是英国一个长期的军用航空发动机技术综合验证计划,计划发起方为英国国防部、皇家飞机设计院和国家燃气涡轮研究院,主要资助方为英国国防部和罗罗公司,其次还有德国的MTU公司和意大利的FIAT公司。迄今为止,ACME计划是英国和欧洲投资最多、规模最大的一个军用发动机技术发展计划。



   ACME计划的总目标是提供未来先进战斗机发动机所需技术,尽管该计划的目标并不是研制一种发动机,但有如下技术目标:推力达到8896~11120daN,推重比达到10和12,总压气机级数减少到6~7级,总增压比达到24左右。ACME计划主要发展推力矢量系统、双转子和三转子加力涡扇发动机技术。该计划发展的内容包括新的陶瓷材料、合金材料和冷却技术的研究,以及三维流分析和建模。



  该计划共分两个阶段,1982年~1993年为第一阶段,在此期间,ACME计划的大部分工作已经完成,所发展的技术已实际应用于RB199、"鹞"Ⅱ及AV-8B垂直/短距起降飞机用"飞马"发动机和欧洲战斗机"台风"用EJ200发动机的发展。最近,罗罗公司又将ACME技术转移到其先进的民用核心机验证机计划中,并且这些技术也有可能用于罗·罗公司目前正在进行的RB411发动机的设计。今后,ACME技术还可能用于F110、RB419、罗罗公司的大涵道比风扇发动机、罗罗公司的前后串列风扇项目、远距加力升力系统、远距非加力升力系统以及先进军用发动机技术(AMET)计划。



  ACME计划第二阶段正在进行中,目标是发动机的重量降低50%,推重比达到20,耗油率降低30%,制造成本降低30%,寿命期成本降低25%。这一阶段的验证机将于2011年前首次试车。



  AMET计划是一项英法双边合作计划,该计划全面吸收了ACME计划所取得的成果。该计划从1995年开始实施,目标是研制一种推重比15的发动机,最后达到推重比18的目标。目前,两公司正在研究将金属基复合材料用于高推重比发动机的高压压气机上,另外,也在研究改进的镍基单晶材料、发展更先进的叶片涂层和改进冷却使高压涡轮进口温度可达到1827℃(2100K)。



(作者 胡晓煜 中国航空工业发展研究中心航空技术所)
2010年世界空气喷气发动机进展


在2010年的空气喷气发动机技术的重大进展中,燃气涡轮发动机制造商继续为民用和军用飞机作出改进。美国和欧洲的技术发展计划也取得了令人鼓舞的成绩。

   1 民用燃气涡轮发动机

   CF34-8增推型在波音747上的飞行试验已在通用电气公司的飞行试验中心成功完成。额定推力均为6500daN的CF34-8改型包括用于庞巴迪CRJ900的CF34-8C5 、费尔柴耳德· 多尼尔公司728喷气的CF-8D和巴西航空工业公司 ERJ170的CF8-E。这些发动机的突出设计特点有:耐温更高的高压涡轮导向器材料、新的寿命更长的高压涡轮转子和改进的涡轮叶片冷却空气供应系统。
  威廉斯国际公司的FJ44-2正在为赛斯纳公司的CJ2和雷神公司的"首相"I生产之中。为Swearingen SJ30-2的取证工作在继续。另外,还在为三种公务飞机进行积极的飞行试验计划。其中,安装稍作修改的FJ44-2A的"海神"(Proteus)创造了18900m的新的高度记录。威廉斯公司继续为538~672daN推力级的FJ33涡扇发动机取证,其目标是用于新一代小型公务机和教练机,同时还在进行新的FJ22/EJ22涡扇发动机的取证工作,为轻型飞机提供推进器。
  罗罗公司正式为A380启动推力为35600daN的遄达900发动机的研制,计划于2004年取证。该公司的AE系列涡扇和涡桨发动机系列已经在12种飞机上使用了近600万小时。AE民用发动机在今年达到了创记录的里程碑,包括向巴西航空工业公司交付第1000台AE3007A发动机。第二个里程碑是装AE3007A1E的50座加长航程ERJ-145XR首飞;其发起用户--大陆快运公司有75架确认订单和100架意向订单。
  为全尺寸发动机试验作准备,GE90-115B的复合材料弯掠风扇叶片已经完成了试验。除了这种使发动机推力增加896daN的独特的高通流风扇外,这种世界上推力最大的涡扇发动机的特点还有:效率极高的9级三维气动设计高压压气机和用GE1014钢制风扇中轴,这种新的高强度合金钢大大增强了抗扭能力。因此,尽管GE90-115B的风扇负荷增大了,它的中轴直径仍与GE90-94B的相同,从而避免对其他核心部件的修改。
  普惠加拿大公司完成了PW800和PW600的验证机试验。前者的推力为4500~8400daN,可填补PW300与PW6000之间的空白;后者的推力为445~1113daN,计划用于小型飞机。
   2 军用燃气涡轮发动机

  在现役战斗机发动机改进改型方面F100-PW-229 完成了最严格的耐久性试验,其热状态时间、最大推力状态时间和加力点火次数分别比规范要求高出95%、250%和300%;推力为14400daN的F110-GE-132的研制工作进展顺利,其寿命也可延长一倍;F414的增强耐久性改型的部件发展工作正在进行,改型后20年内可节省拥有成本10亿美元。
  在新研制的战斗机发动机方面:F119已完成加速任务试验,并开始小批生产;英国和德国已交付首批生产型EJ200发动机;在两种JSF概念验证机进行了广泛的飞行试验和评估以后,普惠公司推力为17760daN的F135获得48亿美元的工程和制造研制合同,罗罗公司也获得10亿美元用于研制升力风扇,通用电气公司获得4.6亿美元的F136先期系统研制和验证,作为F135的备份。
  在其他军用发动机方面,欧洲六国为A400M军用运输机联合研制以M88的核心机为基础的TP400涡桨发动机;用于"科曼奇"和"超山猫"的T800的两种新改型T800-801和CTS800-4N完成了首飞;透博梅卡公司宣布为5~6吨级的直升机研制一种新的叫做阿赫迪丹的涡轴发动机,起飞功率为900kW,计划于2005年取证。  
   3 美国综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划  
  定于2001年底开始试验的先进涡轮发动机燃气发生器(ATEGG)是世界上最先进的核心机。在核心机上评估的先进部件包括变循环核心驱动风扇级、四级高压压气机、钛铝压气机转子和静子叶片、金属基复合材料压气机环形转子、陶瓷基复合材料火焰筒、可调面积涡轮、先进涡轮冷却、双辐板涡轮盘和混合陶瓷轴承。在2002年计划进行的联合技术验证机(ATDE)上待验证的技术还有风扇上的前掠气动设计和高周疲劳调谐/阻尼技术、带阻尼叶片的无导叶对转低压涡轮、陶瓷基复合材料涡轮导向叶片、旋流加力燃烧室、流动控制矢量喷管、磁性轴承、内装式整体起动/发电机和模型基分布式主动控制系统。
   IHPTET的第二阶段联合涡轮先进燃气发生器(JTAGG)准备在2001年12月进行核心机试验。待评估的部件有高压比大、小叶片单级低压压气机;两级轴流-离心高压压气机;带高效冷却叶片和陶瓷封严的单级高压涡轮和带非冷却陶瓷叶片的单级低压涡轮。
  几种IHPTET计划的联合一次性使用涡轮发动机概念(JETEC)发动机的硬件加工、装配和安装测试仪表的工作接近完成。待评估的先进部件包括带有机基复合材料缠绕叶冠的前掠风扇、涡轮叶片先进冷却概念、整体陶瓷涡轮转子和导向叶片、陶瓷基复合材料的整体涡轮叶盘和涡轮导向器以及碳-碳尾喷管。
   4 欧洲发动机研究  
   2001年3月,欧盟发起了其有史以来最大的航空发动机研究计划。有效和环境友好航空发动机(EEFAE)的目的是,发展为保持欧洲工业作为民用喷气飞机的先进涡扇发动机的供应商竞争地位所需的先进技术。这项计划涉及9个欧洲国家的19家参与单位。
  英国罗罗公司领导近期和中期的发展工作。称为经济可承受的近期低排放(ANTLE)发动机,是以先进三轴发动机和比目前更高效的部件为基础的。主要的新部件有罗罗德国公司的高压压气机、菲亚特公司的中压涡轮和西班牙ITP公司的低压涡轮。德国MTU公司和法国SNACMA公司领导中期至远期的工作--环境友好航空发动机部件验证机(CLEAN)。技术发展工作的重点是将热交换器技术用于航空发动机。它的目标是验证能大大降低燃油消耗和排放的未来间冷回热发动机所需的核心技术。
   5 SILENCE(R)和 TECH56计划
   2001年4月发起的大大降低社区对飞机噪声的暴露(SILENCE(R))的研究计划是欧洲第五框架计划的一部分。一个有51个单位参加的集团将合作4年,以验证降噪技术,到2008年能使飞机噪声降低6分贝。该集团由SNACMA公司领导。
   CFM 国际公司的TECH56计划的验证阶段继续成功进行。一些部件试验,如空心风扇叶片、双环预旋燃烧室和6级高压压气机,已经达到或超过了计划目标。TECH56计划将为CFM56发动机的换代提供技术。  

6 冲压发动机/超燃冲压发动机研究

  NASA兰利和德赖登研究中心继续 Hyper-X计划,该计划旨在将高超音速吸空气飞行器技术从实验室推向飞行环境。其工作重点是一架长3.66m的X-43高超音速氢燃料装超燃冲压发动机的飞行器。目前,已经完成了为X-43两次马赫数7飞行和第三次马赫数10飞行的广泛的风险降低工作。第一次X-43马赫数7的飞行于6月2日进行。在跨音速阶段发生的问题使超燃冲压发动机未能达到试验状态,但正在对采集到的数据进行研究以便验证所有的系统。第二次飞行可能将在2002年春或初夏进行。
  按照美国空军的高超音速技术(HyTech)计划,空军研究实验室和普惠公司在1月15日已经用常规燃料在马赫数4.5和6.5之间对一台一体化的超燃冲压发动机成功地进行了试验.这台性能试验发动机达到或超过了所有性能指标。根据性能试验和发动机部件结构耐久性试验的经验教训,目前正在设计地面验证发动机。
  在海军研究高超音速武器技术计划办公室的领导下,约翰· 霍普金斯应用物理实验室正在为双燃烧室冲压发动机进行全尺寸燃烧室的直接连接试验。试验首次验证了纯液态JP-10碳氢燃料能在马赫数6下的超音速燃烧室内极高效地燃烧。
看来MD的空中优势还有50年
:L我还以为是小白兔的计划呢。。。。
前瞻性预研
兔子也应该有类似的计划