世界上第一種大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(yuǎn)程戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)。大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是指涵道比4以上的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。由于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率低、噪聲小，被廣泛用于大型民用和軍用運(yùn)輸機(jī)以及其他大型亞聲速飛機(jī)如加油機(jī)、預(yù)警機(jī)、反潛機(jī)等。大推力的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)推動(dòng)了巨型寬體客機(jī)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(dòng)機(jī)裝備波音747-100寬體客機(jī)投入使用。從此，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開始在民用領(lǐng)域獲得大量使用，成為民用發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)軍用運(yùn)輸機(jī)的升級(jí)也紛紛采用民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)改型。
發(fā)動(dòng)機(jī)性能是影響民用運(yùn)輸機(jī)經(jīng)濟(jì)性最主要因素。過去半個(gè)世紀(jì)中，噴氣民航機(jī)的每座-公里的耗油量下降了近70%，其中三份之二是發(fā)動(dòng)機(jī)降低耗油率的貢獻(xiàn)。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于不斷提高渦輪前燃?xì)鉁囟取⒖傇鰤罕?、涵道比，改進(jìn)風(fēng)扇和短艙性能，降低噪聲和污染，改善可靠性，在20世紀(jì)60年代開始取代早期油耗較高的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)逐步而成為世界民用運(yùn)輸機(jī)的最主要?jiǎng)恿π问?，運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)--巡航耗油率已降低一半，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)步。發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車率從每1000飛行小時(shí)1次下降到0.002~0.005次左右，相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行60~150年才發(fā)生1次空中停車。航班準(zhǔn)點(diǎn)率達(dá)到99.95%~99.98%，相當(dāng)于每10000個(gè)航班只有2~5次因發(fā)動(dòng)機(jī)原因而延誤15分鐘以上或撤消。發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上不拆換的工作時(shí)間達(dá)到平均達(dá)10000~15000小時(shí)，最長的超過40000小時(shí)。發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲強(qiáng)度和和污染物排放分別降低75%和80%。
大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)特有技術(shù)的范圍可從下表說明。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)有共用的基礎(chǔ)技術(shù)，軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)又各有關(guān)鍵技術(shù)和特有技術(shù)，政府的不同部門對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研究和發(fā)展的投資各有重點(diǎn)，但工業(yè)部門的經(jīng)費(fèi)則覆蓋軍用和民用的所有技術(shù)。
美國航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)譜和各部門經(jīng)費(fèi)投向
下面介紹大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)特有關(guān)鍵技術(shù)。
1 大尺寸風(fēng)扇
大尺寸風(fēng)扇是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特有技術(shù)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的增加，風(fēng)扇向著大直徑、低壓比方向發(fā)展，其設(shè)計(jì)要求是效率高、噪聲低、重量輕、抗外物損傷能力強(qiáng)。在三維黏性CFD設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的掠形葉片可以降低葉片進(jìn)口氣流相對(duì)馬赫數(shù)，減少激波損失，提高風(fēng)扇效率和流量。掠形葉片使風(fēng)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(tái)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(kuò)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(jí)高壓壓氣機(jī)
高壓比多級(jí)高壓壓氣機(jī)是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。由于民用發(fā)動(dòng)機(jī)的總壓比不斷提高的趨勢(shì)，目前超過40，今后將進(jìn)一步提高到50以上。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)壓比一般為6~8，還沒有超過10的，但是民用發(fā)動(dòng)機(jī)的一般為12~20，GE90的10級(jí)（在后來的GE90-115B中減為9級(jí)）高壓壓氣機(jī)的壓比更達(dá)到23，平均級(jí)壓比為1.37，都是所有實(shí)用中發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)之最。正在研制中的PW6000發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)以6級(jí)達(dá)到11的壓比，平均級(jí)壓比近1.5。研究中的平均級(jí)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(jìn)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(dòng)穩(wěn)定性控制。
其他有關(guān)高壓壓氣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)有葉尖間隙控制、機(jī)匣處理、整體葉盤和整體葉環(huán)等。
3 低污染燃燒室
當(dāng)前對(duì)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(huì)影響到空運(yùn)的未來發(fā)展。歐盟和美國的環(huán)境保護(hù)局對(duì)ICAO施加壓力，要求制定進(jìn)一步降低飛機(jī)排放NOx 條例。
飛機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)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(duì)前一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)后者分別降低20%、16.5%和12%。
目前，大多數(shù)的民用飛機(jī)滿足現(xiàn)行1996年ICAO的LTO NOx 標(biāo)準(zhǔn)還有余，而關(guān)于巡航NOX排放對(duì)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(jí)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的45%、10%、5%和30%；普o惠公司在PW4098和PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)限制值的3%、24%、65%和94%。在羅o羅公司在ANTLE計(jì)劃下研究的一種貧油單級(jí)同心分級(jí)燃燒室，通過減少油氣滯留時(shí)間、加強(qiáng)混合、優(yōu)化化學(xué)恰當(dāng)比和瓦片冷卻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。2005年第一季度在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，其NOx排放比1996年的CAEP4標(biāo)準(zhǔn)低50%以上。
4 高效多級(jí)低壓渦輪
在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，低壓渦輪的效率對(duì)耗油率有重要影響，其重量和成本分別占全臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的25%和15%左右。因此高效多級(jí)低壓渦輪的設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、重量和成本十分重要。
在低壓渦輪設(shè)計(jì)中已普遍三維黏性CFD設(shè)計(jì)技術(shù)。因?yàn)榈蛪簻u輪通道有較大的擴(kuò)張度，采用正交設(shè)計(jì)后，葉片的尖部和根部彎曲，形成所謂的彎曲葉片。主動(dòng)葉尖間隙控制已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，通過對(duì)機(jī)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，該公司正在研究三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)封嚴(yán)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(jì)和主動(dòng)/被動(dòng)附面層控制技術(shù)。最近，在先進(jìn)渦扇綜合（ATFI）驗(yàn)證機(jī)上驗(yàn)證了膨脹比為4.5的兩級(jí)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(dòng)機(jī)研制中，5級(jí)低壓渦輪達(dá)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(shí)驗(yàn)室推進(jìn)所渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部在低壓渦輪上進(jìn)行渦流發(fā)生器射流（VGJ）的試驗(yàn)和仿真研究。試驗(yàn)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(cè)得的尾渦損失降低達(dá)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(duì)于聽者，主觀上的噪聲強(qiáng)度減輕了四分之三。目前執(zhí)行的ICAO第三章噪聲標(biāo)準(zhǔn)比1971年執(zhí)行的第一和第二章低20dB，到2001年將對(duì)2006年1月1日起取證的飛機(jī)采取更嚴(yán)格的第四章噪聲標(biāo)準(zhǔn)，又將比第三章低10dB。事實(shí)上，目前生產(chǎn)中的飛機(jī)都滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)估計(jì),將在2014~2015年投入使用的第五代飛機(jī)噪聲將比第三章標(biāo)準(zhǔn)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(jì)劃。
對(duì)于早期安裝渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的客機(jī)，其主要噪聲源是發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管排氣，而在安裝渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)上，風(fēng)扇的噪聲成為最主要的，其次才是核心排氣（起飛）或飛機(jī)機(jī)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(dòng)機(jī)平均排氣速度，但受到風(fēng)扇和發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的限制。
（2）在對(duì)氣動(dòng)性能不造成大的損失的條件下，降低風(fēng)扇葉尖切線速度；采用掠形葉片和傾斜葉片；鋸齒形風(fēng)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(jī)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(jì)。
（3）采用對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇 在歐洲航空第6框架內(nèi)的環(huán)境友好航空發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃下正在研究對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇，并將在俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)。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(duì)稱風(fēng)扇噴管、中心線偏置的風(fēng)扇和核心噴管以及鋸齒形核心和風(fēng)扇噴管。
（5）采用向上傾斜的進(jìn)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(dòng)控制技術(shù)。
6 高效、長壽命大功率減速器
在齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(jiān)信齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)功率達(dá)24000kW已經(jīng)完成了1000h的部件試驗(yàn)和1000h的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，機(jī)械效率超過99%，熱負(fù)荷僅為預(yù)期值的一半，壽命指標(biāo)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)。
在減速器的發(fā)展中，除了要設(shè)計(jì)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(dòng)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(jī)的齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中，普o惠公司以意大利的Avio公司作為合作伙伴，負(fù)責(zé)減速器的研制和制造。該公司在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。這種齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)將在2007年進(jìn)行地面驗(yàn)證，2008年飛行驗(yàn)證。
7 間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)
間冷回?zé)嵫h(huán)可以降低壓氣機(jī)加壓所需的功、進(jìn)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(dòng)機(jī)熱效率和減少NOx排放。與常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可降低NOx排放80%，減少燃料消耗和CO2排放18%。
這是一項(xiàng)比較遠(yuǎn)期的技術(shù)。在歐洲的環(huán)境友好發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驗(yàn)證（CLEAN）計(jì)劃中，正在驗(yàn)證一種帶齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇的間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。在這種三轉(zhuǎn)子方案中，涵道比可以達(dá)到15左右，風(fēng)扇葉尖速度也有相應(yīng)的降低。風(fēng)扇通過齒輪箱由高速的低壓壓渦輪驅(qū)動(dòng)。超大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高總壓比的要求由高壓和低壓壓氣機(jī)之間的中間冷卻器和采用雙級(jí)燃燒室的回?zé)岷诵臋C(jī)來滿足。間冷器用外涵空氣作為冷源。在CLEAN計(jì)劃中的關(guān)鍵技術(shù)包括齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)、高壓壓氣機(jī)主動(dòng)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(jí)低壓渦輪、渦輪中央框架和輕重量高效回?zé)崞鳌?/SPAN>
CLEAN計(jì)劃的驗(yàn)證機(jī)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(tái)上，并在兩個(gè)半月內(nèi)試驗(yàn)了80h。結(jié)果表明，間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)概念的目標(biāo)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，裝備這種發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)可以節(jié)省燃油達(dá)17%，減輕飛機(jī)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(dòng)機(jī)的研制還需要重視以下技術(shù)：
（1）反推力裝置設(shè)計(jì)技術(shù)；
（2）環(huán)境和吞咽試驗(yàn)技術(shù)；
（3）發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷和預(yù)測(cè)維修技術(shù)；
（4）長壽命、高可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)；
（5）多（全）電發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)；
（6）低污染、可再生替代燃料；
（7）低阻力短艙設(shè)計(jì)，如層流短艙設(shè)計(jì)；
（8）推進(jìn)系統(tǒng)/飛機(jī)一體化技術(shù)，如半埋的分布式推進(jìn)系統(tǒng)和翼身融合體機(jī)體的一體化設(shè)計(jì)。
（轉(zhuǎn)載）
