世界上第一種大涵道比渦扇發(fā)動機是1969年10月定型的美國通用電氣公司TF39-GE-1A，涵道比為8，起飛推力近20000daN，用于C-5A軍用遠程戰(zhàn)略運輸機。大涵道比渦扇發(fā)動機是指涵道比4以上的渦扇發(fā)動機。由于大涵道比渦扇發(fā)動機的耗油率低、噪聲小，被廣泛用于大型民用和軍用運輸機以及其他大型亞聲速飛機如加油機、預(yù)警機、反潛機等。大推力的大涵道比渦扇發(fā)動機的出現(xiàn)推動了巨型寬體客機的誕生，1970年1月，涵道比為5.2的普惠公司JT9D-3渦扇發(fā)動機裝備波音747-100寬體客機投入使用。從此，大涵道比渦扇發(fā)動機開始在民用領(lǐng)域獲得大量使用，成為民用發(fā)動機市場的主角，其技術(shù)也迅速發(fā)展。一些新研制的或老型號軍用運輸機的升級也紛紛采用民用大涵道比渦扇發(fā)動機改型。
發(fā)動機性能是影響民用運輸機經(jīng)濟性最主要因素。過去半個世紀中，噴氣民航機的每座-公里的耗油量下降了近70%，其中三份之二是發(fā)動機降低耗油率的貢獻。渦輪風扇發(fā)動機由于不斷提高渦輪前燃氣溫度、總增壓比、涵道比，改進風扇和短艙性能，降低噪聲和污染，改善可靠性，在20世紀60年代開始取代早期油耗較高的渦輪噴氣發(fā)動機逐步而成為世界民用運輸機的最主要動力形式，運輸機發(fā)動機的主要性能指標--巡航耗油率已降低一半，發(fā)動機最大推力已超過50000 daN。在安全性、可靠性使用壽命和環(huán)保特性方面也取得巨大進步。發(fā)動機空中停車率從每1000飛行小時1次下降到0.002~0.005次左右，相當于一臺發(fā)動機飛行60~150年才發(fā)生1次空中停車。航班準點率達到99.95%~99.98%，相當于每10000個航班只有2~5次因發(fā)動機原因而延誤15分鐘以上或撤消。發(fā)動機在飛機上不拆換的工作時間達到平均達10000~15000小時，最長的超過40000小時。發(fā)動機的噪聲強度和和污染物排放分別降低75%和80%。
大涵道比渦扇發(fā)動機特有技術(shù)的范圍可從下表說明。航空燃氣渦輪發(fā)動機有共用的基礎(chǔ)技術(shù)，軍用和民用發(fā)動機又各有關(guān)鍵技術(shù)和特有技術(shù)，政府的不同部門對發(fā)動機研究和發(fā)展的投資各有重點，但工業(yè)部門的經(jīng)費則覆蓋軍用和民用的所有技術(shù)。
美國航空燃氣渦輪發(fā)動機技術(shù)譜和各部門經(jīng)費投向
下面介紹大涵道比渦扇發(fā)動機特有關(guān)鍵技術(shù)。
1 大尺寸風扇
大尺寸風扇是大涵道比渦扇發(fā)動機的特有技術(shù)。隨著發(fā)動機涵道比的增加，風扇向著大直徑、低壓比方向發(fā)展，其設(shè)計要求是效率高、噪聲低、重量輕、抗外物損傷能力強。在三維黏性CFD設(shè)計方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的掠形葉片可以降低葉片進口氣流相對馬赫數(shù)，減少激波損失，提高風扇效率和流量。掠形葉片使風扇葉片效率提高3%~5%，空氣流量增加3%~10%。由于前掠葉片的失速裕度比后掠葉片的大，因此前掠葉片更受人們的重視。
在材料、結(jié)構(gòu)和工藝方面有無凸臺寬弦空心鈦合金葉片和樹脂基復(fù)合材料葉片。前者用超塑性成型/擴散連接（SPF/DB）工藝制成，后者由增韌環(huán)氧樹脂/石墨纖維預(yù)浸帶纏繞，然后用模壓成型。此外，Kevlar復(fù)合材料纏繞的多層包容環(huán)和葉片圓弧形榫根等也值得引起重視。
2 高壓比多級高壓壓氣機
高壓比多級高壓壓氣機是大涵道比渦扇發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)。由于民用發(fā)動機的總壓比不斷提高的趨勢，目前超過40，今后將進一步提高到50以上。軍用發(fā)動機的高壓壓氣機壓比一般為6~8，還沒有超過10的，但是民用發(fā)動機的一般為12~20，GE90的10級（在后來的GE90-115B中減為9級）高壓壓氣機的壓比更達到23，平均級壓比為1.37，都是所有實用中發(fā)動機的高壓壓氣機之最。正在研制中的PW6000發(fā)動機的高壓壓氣機以6級達到11的壓比，平均級壓比近1.5。研究中的平均級壓比為1.4~2.1。
所涉及的技術(shù)包括全三維黏性CFD分析技術(shù)、先進葉（型掠形葉片、串列葉片、彎曲葉片和傾斜葉片）、吸附式葉片和主動穩(wěn)定性控制。
其他有關(guān)高壓壓氣機的關(guān)鍵技術(shù)有葉尖間隙控制、機匣處理、整體葉盤和整體葉環(huán)等。
3 低污染燃燒室
當前對環(huán)境排放的憂慮集中在空港周圍的社區(qū),而且,如果污染問題得不到解決,就會影響到空運的未來發(fā)展。歐盟和美國的環(huán)境保護局對ICAO施加壓力，要求制定進一步降低飛機排放NOx 條例。
飛機的排放標準陸續(xù)有1986年、1996年、2004年和2008年生效的ICAO的CAEP1、2、4和6，相對前一個標準后者分別降低20%、16.5%和12%。
目前，大多數(shù)的民用飛機滿足現(xiàn)行1996年ICAO的LTO NOx 標準還有余，而關(guān)于巡航NOX排放對臭氧層破壞和全球大氣變暖的憂慮卻在增加。
所涉及的關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)有徑向和軸向分級燃燒、貧油直接噴射（LDI）、富油/快速摻混/貧油（RQL）燃燒燃燒和能減少冷卻空氣的新的高溫陶瓷基復(fù)合材料。減低排放的主動燃燒控制技術(shù)也在研究中。
通用電氣公司正在研制的GEnx采用雙環(huán)腔與旋流（TAPS）燃燒室后，其NOx、煙、UHC、CO的排放只有CAEP標準的45%、10%、5%和30%；普o惠公司在PW4098和PW8000發(fā)動機中采用泰龍-II（TALON）燃燒室后，UHC、CO、NOx和煙的排放分別為目前標準限制值的3%、24%、65%和94%。在羅o羅公司在ANTLE計劃下研究的一種貧油單級同心分級燃燒室，通過減少油氣滯留時間、加強混合、優(yōu)化化學(xué)恰當比和瓦片冷卻結(jié)構(gòu)實現(xiàn)這個目標。2005年第一季度在發(fā)動機上進行驗證，其NOx排放比1996年的CAEP4標準低50%以上。
4 高效多級低壓渦輪
在大涵道比渦扇發(fā)動機中，低壓渦輪的效率對耗油率有重要影響，其重量和成本分別占全臺發(fā)動機的25%和15%左右。因此高效多級低壓渦輪的設(shè)計對發(fā)動機性能、重量和成本十分重要。
在低壓渦輪設(shè)計中已普遍三維黏性CFD設(shè)計技術(shù)。因為低壓渦輪通道有較大的擴張度，采用正交設(shè)計后，葉片的尖部和根部彎曲，形成所謂的彎曲葉片。主動葉尖間隙控制已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，通過對機匣噴射冷卻空氣可以在不同的工作狀態(tài)下都保持最佳的間隙。
德國MTU公司在低壓渦輪方面有豐富的設(shè)計經(jīng)驗，該公司正在研究三維氣動設(shè)計方法、先進封嚴系統(tǒng)、高效冷卻系統(tǒng)、低成本輕重量材料、低損失空腔設(shè)計和主動/被動附面層控制技術(shù)。最近，在先進渦扇綜合（ATFI）驗證機上驗證了膨脹比為4.5的兩級渦輪，一種高升力葉柵可使葉片數(shù)減少20%而不降低效率，用鈦鋁金屬間化合物取代傳統(tǒng)鎳基合金可使葉片減重40%。在GP7200發(fā)動機研制中，5級低壓渦輪達到92.4%的等熵效率。
近來各國正在研究低壓渦輪葉片分離控制。美國空軍研究實驗室推進所渦輪發(fā)動機部在低壓渦輪上進行渦流發(fā)生器射流（VGJ）的試驗和仿真研究。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用VGJ可以大大減小低雷諾數(shù)下的吸力面附面層分離。用0.4%的氣流測得的尾渦損失降低達65%，葉片的壓力分布還有所改善。
5 降噪技術(shù)
從60年代中期到90年代中期，給定推力的噪聲水平已經(jīng)減少20dB。對于聽者，主觀上的噪聲強度減輕了四分之三。目前執(zhí)行的ICAO第三章噪聲標準比1971年執(zhí)行的第一和第二章低20dB，到2001年將對2006年1月1日起取證的飛機采取更嚴格的第四章噪聲標準，又將比第三章低10dB。事實上，目前生產(chǎn)中的飛機都滿足這個標準。據(jù)估計,將在2014~2015年投入使用的第五代飛機噪聲將比第三章標準低35~40dB。歐洲和美國都制定了在10年和20年內(nèi)將噪聲在分別降低10dB和20dB的研究計劃。
對于早期安裝渦噴發(fā)動機的客機，其主要噪聲源是發(fā)動機尾噴管排氣，而在安裝渦扇發(fā)動機的飛機上，風扇的噪聲成為最主要的，其次才是核心排氣（起飛）或飛機機體（著陸）。
目前采用或在研究中的降噪措施主要有：
（1）盡量提高涵道比，降低發(fā)動機平均排氣速度，但受到風扇和發(fā)動機尺寸的限制。
（2）在對氣動性能不造成大的損失的條件下，降低風扇葉尖切線速度；采用掠形葉片和傾斜葉片；鋸齒形風扇出口導(dǎo)向葉片后緣和吹氣式尾跡管理；合理選擇葉輪機轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的數(shù)目比例；加大轉(zhuǎn)子和靜子的軸向距離；減小葉尖間隙；低損失空腔設(shè)計。
（3）采用對轉(zhuǎn)風扇 在歐洲航空第6框架內(nèi)的環(huán)境友好航空發(fā)動機計劃下正在研究對轉(zhuǎn)風扇，并將在俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院的試驗臺上進行氣動聲學(xué)試驗。希望能降低噪聲5分貝。
（4）在減少噴氣噪聲方面，正研究各種加快內(nèi)外流氣流之間和噴流與大氣混合的噴管，具體的方案有非軸對稱風扇噴管、中心線偏置的風扇和核心噴管以及鋸齒形核心和風扇噴管。
（5）采用向上傾斜的進氣口(scarf inlet)和噴口，使噪聲向上傳布。
（6）采用加長外涵道，廣泛敷設(shè)利用赫姆霍茨效應(yīng)原理的消聲襯墊，包括頻率自適應(yīng)襯墊，甚至噪聲主動控制技術(shù)。
6 高效、長壽命大功率減速器
在齒輪傳動渦扇發(fā)動機中，高效、長壽命大功率減速器是不可或缺的重要部件。減速器的作用是保證兩個不同轉(zhuǎn)速的部件相互匹配和高效傳遞功率，因此它的技術(shù)要求很高。
普o惠公司由于堅信齒輪傳動渦扇發(fā)動機的潛在效益，多年來在高效大功率減速器的發(fā)展方面已經(jīng)投入幾億美元。該公司的STAR-1減速器的傳動功率達24000kW已經(jīng)完成了1000h的部件試驗和1000h的發(fā)動機試驗，機械效率超過99%，熱負荷僅為預(yù)期值的一半，壽命指標為30000h。正在研究的一種功率近30000kW的減速器也已經(jīng)做了100h的發(fā)動機試驗。
在減速器的發(fā)展中，除了要設(shè)計輕重量的齒輪外，還必須采用新的滑油和冷卻技術(shù)。普o惠公司采用了一種自動定心（self-centering）技術(shù)，幾乎消除了齒輪副之間的偏心和應(yīng)力。
在為未來窄體客機的齒輪傳動渦扇發(fā)動機的研制中，普o惠公司以意大利的Avio公司作為合作伙伴，負責減速器的研制和制造。該公司在航空發(fā)動機的機械傳動方面擁有豐富的經(jīng)驗。這種齒輪傳動渦扇發(fā)動機將在2007年進行地面驗證，2008年飛行驗證。
7 間冷回熱循環(huán)發(fā)動機技術(shù)
間冷回熱循環(huán)可以降低壓氣機加壓所需的功、進入燃燒室的氣流溫度和回收排氣中的熱，因而有利于提高發(fā)動機熱效率和減少NOx排放。與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，間冷回熱循環(huán)發(fā)動機可降低NOx排放80%，減少燃料消耗和CO2排放18%。
這是一項比較遠期的技術(shù)。在歐洲的環(huán)境友好發(fā)動機技術(shù)驗證（CLEAN）計劃中，正在驗證一種帶齒輪傳動風扇的間冷回熱循環(huán)發(fā)動機技術(shù)。在這種三轉(zhuǎn)子方案中，涵道比可以達到15左右，風扇葉尖速度也有相應(yīng)的降低。風扇通過齒輪箱由高速的低壓壓渦輪驅(qū)動。超大涵道比發(fā)動機對高總壓比的要求由高壓和低壓壓氣機之間的中間冷卻器和采用雙級燃燒室的回熱核心機來滿足。間冷器用外涵空氣作為冷源。在CLEAN計劃中的關(guān)鍵技術(shù)包括齒輪傳動風扇系統(tǒng)、高壓壓氣機主動喘振控制系統(tǒng)、間冷器、貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室、高速多級低壓渦輪、渦輪中央框架和輕重量高效回熱器。
CLEAN計劃的驗證機已經(jīng)在2004年交付，安裝在德國斯圖加特的高空模擬試車臺上，并在兩個半月內(nèi)試驗了80h。結(jié)果表明，間冷回熱發(fā)動機概念的目標已經(jīng)基本實現(xiàn)，裝備這種發(fā)動機的飛機可以節(jié)省燃油達17%，減輕飛機重量6%。
除了上述特有關(guān)鍵技術(shù)外，大涵道比渦扇發(fā)動機的研制還需要重視以下技術(shù)：
（1）反推力裝置設(shè)計技術(shù)；
（2）環(huán)境和吞咽試驗技術(shù)；
（3）發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷和預(yù)測維修技術(shù)；
（4）長壽命、高可靠性設(shè)計技術(shù)；
（5）多（全）電發(fā)動機技術(shù)；
（6）低污染、可再生替代燃料；
（7）低阻力短艙設(shè)計，如層流短艙設(shè)計；
（8）推進系統(tǒng)/飛機一體化技術(shù)，如半埋的分布式推進系統(tǒng)和翼身融合體機體的一體化設(shè)計。
（轉(zhuǎn)載）
