未來,變循環發動機將更好地適用各種飛行條件和工作狀態,多電發動機技術可全面優化燃氣渦輪發動機的結構和性能并降低壽命期成本,智能發動機技術將使軍機推進系統結構更緊湊、效率更高。
在民用發動機方面,目前主要企業的新型號發動機都以追求安全性、可靠性和經濟性,并考慮低污染和低噪音等為主,通過改進氣動設計、風扇材料、低排放燃燒室、高效渦輪葉片冷卻技術與智能化發動機狀態監視系統等,不斷加強航空發動機滿足民用飛機安全環保經濟舒適的要求。歐洲在進入21世紀后,針對大涵道比渦輪風扇發動機先后制定了高效和環境友好的發動機計劃、降低飛機噪音計劃、多電飛機技術、環保航空發動機計劃及新型航空發動機方案等,投入大量資金研制以滿足歐洲潔凈天空計劃要求。
中小型發動機具有較大成長空間
隨著通用航空及支線航空的發展,裝配公務機、通用飛機、直升機及無人機的中小型航空發動機具備較大的市場潛力。一些航空發動機主要企業投入巨資研發公務機和直升機動力技術。普拉特·惠特尼公司在2006年就決定在加拿大投入15億美元研發下一代公務機和直升機發動機技術,研制超越國際民用航空組織(ICAO)制定的噪音和排放標準的新型發動機,重點研究降低燃油消耗技術和先進制造技術。看好大型支線客機和公務機市場中等推力渦扇發動機,俄羅斯和法國聯合研制了SaM146發動機,為其RRJ支線飛機提供動力支持。美國霍尼韋爾公司也發展了一種推力4450daN的大中型新型公務機用發動機,該發動機不僅推力比HTF7000發動機增加25%,而且將減小30有效感覺噪聲分貝(EPNDB),并較大幅度降低燃油消耗率。威廉姆斯國際公司改進FJ33/44發動機滿足塞斯納飛機的動力需求。透博梅卡公司則繼續創造渦軸發動機市場佳績,共有30余種Arriel發動機裝備了空客EC系列、松鼠和海豚以及西科斯基、奧古斯塔等先進直升機,累計飛機時間超過200萬小時。與此同時,無人機用重油發動機、電動發動機、氫燃料發動機等技術也取得新進展,將滿足各種無人機的發展需要。
新概念發動機引起動力系統革命性進步
傳統構型航空發動機的發展已經相當成熟,目前尚難有大的突破,隨著飛行器的技術和使用發展要求,發動機廠商開始將目光轉向新概念的發動機架構。如高超聲速飛行器、空天飛機等發展,牽引出現超燃沖壓發動機、脈沖爆震發動機(PDE)等新概念發動機,前者是燃料在超聲速氣流中進行燃燒的沖壓發動機,具有結構簡單、重量輕、成本低、比沖高和速度快的優點;后者是基于爆震燃燒產生連續推力的發動機,整個燃燒過程接近定容燃燒,熱循環效率大大提高,發動機性能大大改善,且結構大大簡化,成本大大降低。
此外,風扇齒輪傳動系統的出現也具有較大的成長空間,如普惠公司的PW1000G發動機采用齒輪傳動的風扇發動機設計技術,使RTM復合材料風扇葉片制造技術、CMC低壓渦輪葉片、3D壓氣機葉型的使用成為可能,可大幅提高渦扇發動機涵道比,降低燃油消耗和噪聲污染。
羅爾斯·羅伊斯公司倡導的開式轉子發動機采用開放式風扇,與目前先進的渦扇技術相比燃油消耗可降低10%~15%。NASA則正在研究分布式混合電推進系統,在未來5年內,將研發緊湊型、高功率密度、能夠產生1~2兆瓦電能的電動機,以滿足全電通用飛機、直升機、混合渦輪電力支線飛機或大型運輸機的動力需求。
發動機加工制造技術不斷進步
航空發動機的制造涉及材料、結構、焊接等眾多難度極高的工業技術,其加工制造過程一直是新技術、新工藝應用的重點領域。近年來,隨著新一代信息通信技術、網絡技術、高性能數控機床及控制系統等應用的不斷深入,推動了航空發動機產品數字化制造技術的發展,改變了其傳統的工藝設計和制造模式,使之成為提高航空發動機研發制造能力的重要手段,包括數字化工藝設計、數控加工、虛擬制造、智能控制、企業資源數據管理及產品協同設計制造等。
同時,隨著3D打印技術的成熟,航空發動機及其零部件3D打印已成為可能,能夠滿足航空發動機葉片型面復雜、零件眾多、葉盤鍛造加工工序紛繁復雜等要求。如通用電氣公司與斯奈克瑪合作采用3D打印LEAP發動機燃油噴嘴,將其耐久性提高了4倍,燃油效率提高15%,重量降低25%。同時,GE公司還通過3D打印了一臺轉速達33000 RPM的小型噴氣發動機,未來將打印大型發動機整機。
主要國家航空發動機發展經驗啟示
美國:以引進起家,通過“調控”式競爭推動發展
美國是公認的當今航空發動機技術最為先進的國家,具有GE和普拉特·惠特尼等最頂尖的航空發動機研制企業,但美國的航空發動機技術也是以引進來起家的。“二戰”前,航空噴氣推進的研究進展主要在德國和英國,英國對離心式和軸流式噴氣發動機有研究,而德國的軸流式發動機則取得了突破性進展。戰爭中憑借與英國的同盟關系,美國先從英國手里拿到了惠特爾離心式噴氣發動機相關技術,后又獲得了軸流式的Goblin發動機,并通過戰爭獲得了德國技術資料。
同時,美國將航空噴氣發動機產業作為重要戰略方向,以技術突破為導向全力發展自主航空發動機先進技術,從戰后普拉特·惠特尼公司許可制造羅爾斯·羅伊斯公司的尼恩發動機,到其決定投入巨資建設新的研發機構和相應測試設施,再到J57的研制成功,奠定了美國在噴氣發動機領域領先地位的基礎。此外,美國還通過政府主導的“調控”式競爭推動航空技術進步,如采用了過多新技術的通用電氣公司的YF120發動機曾競標F-22失敗,但美國通過IHPTET(綜合高性能渦輪發動機技術)等項目與通用電氣展開合作,直接與企業各自出資50%經費支持YF120等新技術開發和演示驗證,使預研技術始終和現役技術保持著合理的時間間隔,確保了技術領先優勢。
法國:政府主導和推動發動機研制和市場推廣
法國的航空工業建立較早,但在“二戰”前一直缺乏高水平的活塞發動機,致使法國戰斗機性能一般。因此,法國政府戰后積極尋找德國噴氣研究技術人員和資料,推動國有企業斯奈克瑪開始了阿塔(ATAR)發動機的研制。此后從M53到M88,法國政府都積極支持企業的研制生產,并堅持在軍機上使用國產的發動機。如法國、英國和德國曾準備聯合研制歐洲戰斗機,法國因堅持使用自己的M88發動機而甘愿退出項目。
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