先進發(fā)動機的結(jié)構(gòu)

1、第四代航空發(fā)動機先進結(jié)構(gòu)第四代航空發(fā)動機先進結(jié)構(gòu)Advanced Structures of the 4th Generation Aeroengines王克明王克明1. 航空燃氣渦輪發(fā)動機簡介航空燃氣渦輪發(fā)動機簡介2. 四代航空發(fā)動機的劃分四代航空發(fā)動機的劃分 （戰(zhàn)斗機的燃氣渦輪發(fā)動機）（戰(zhàn)斗機的燃氣渦輪發(fā)動機） 3. F119F119雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機（普惠）雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機（普惠）4. F135 F135雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機（普惠）雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機（普惠）5. EJ200 EJ200渦扇發(fā)動機（歐洲發(fā)動機公司）渦扇發(fā)動機（歐洲發(fā)動機公司）本次講座的主要內(nèi)容本次講座的主要

2、內(nèi)容波音波音747-400 （發(fā)動機：（發(fā)動機： PW 4056 GE CF6-80C2B5F RR RB211-524H ）空載重量：空載重量：179 噸，最大加油量：噸，最大加油量：170 噸，載客量：噸，載客量：416 座，最大起飛重量：座，最大起飛重量：397 噸噸單臺發(fā)動機的最大起飛推力：單臺發(fā)動機的最大起飛推力：27 噸噸 （ RR RB211-524H ）航空燃氣渦輪發(fā)動機的作用及力學原理航空燃氣渦輪發(fā)動機的作用及力學原理1. 航空燃氣渦輪發(fā)動機簡介航空燃氣渦輪發(fā)動機簡介作用：為飛機提供推力作用：為飛機提供推力原理：作用反作用原理原理：作用反作用原理波音波音747-400 （發(fā)動

3、機：（發(fā)動機： PW 4056 GE CF6-80C2B5F RR RB211-524H ）巡航高度：巡航高度：10670 m, 巡航馬赫數(shù)巡航馬赫數(shù) M=0.85，飛機尺寸：，飛機尺寸：70.7m X 68.6 m X 19.4 m單臺發(fā)動機的巡航推力：單臺發(fā)動機的巡航推力：5.36 噸噸 （ RR RB211-524H ）航空燃氣渦輪發(fā)動機的作用及力學原理航空燃氣渦輪發(fā)動機的作用及力學原理作用：為飛機提供推力作用：為飛機提供推力原理：作用反作用原理原理：作用反作用原理燃氣渦輪發(fā)動機的工作原理燃氣渦輪發(fā)動機的工作原理渦輪噴氣發(fā)動機與活塞發(fā)動機工作循環(huán)的對比渦輪噴氣發(fā)動機與活塞發(fā)動機工作循環(huán)的

4、對比航空燃氣渦輪發(fā)動機的分類航空燃氣渦輪發(fā)動機的分類航空燃氣渦輪發(fā)動機航空燃氣渦輪發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機渦軸輪發(fā)動機渦軸輪發(fā)動機槳扇發(fā)動機槳扇發(fā)動機垂直垂直/ /短距起降短距起降發(fā)動機發(fā)動機FanPTG/ BPTPropellerG/ BPTTurbojetTurbofanTurbopropTurboshaftNozzleGGStart here航空燃氣渦輪航空發(fā)動機的四種基本類型航空燃氣渦輪航空發(fā)動機的四種基本類型燃氣渦輪發(fā)動機的工作循環(huán)和氣流燃氣渦輪發(fā)動機的工作循環(huán)和氣流典型單轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機的氣流參數(shù)變化規(guī)律典型單

5、轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機的氣流參數(shù)變化規(guī)律燃氣渦輪發(fā)動機的工作循環(huán)和氣流燃氣渦輪發(fā)動機的工作循環(huán)和氣流流過小涵道比和大涵道比渦輪風扇發(fā)動機的氣流流過小涵道比和大涵道比渦輪風扇發(fā)動機的氣流雙轉(zhuǎn)子軸流雙涵道渦輪風扇發(fā)動機（小涵道比）雙轉(zhuǎn)子軸流雙涵道渦輪風扇發(fā)動機（小涵道比）雙轉(zhuǎn)子軸流雙涵道渦輪風扇發(fā)動機（大涵道比）雙轉(zhuǎn)子軸流雙涵道渦輪風扇發(fā)動機（大涵道比）2. 四代航空發(fā)動機的劃分四代航空發(fā)動機的劃分（戰(zhàn)斗機的燃氣渦輪發(fā)動機（戰(zhàn)斗機的燃氣渦輪發(fā)動機） 第一代：單轉(zhuǎn)子亞音速噴氣發(fā)動機（推重比第一代：單轉(zhuǎn)子亞音速噴氣發(fā)動機（推重比34） 20 世紀世紀3040 年代研制。年代研制。 代表機種：美國的代表機種

6、：美國的J47。第二代：超聲速渦噴發(fā)動機（推重比第二代：超聲速渦噴發(fā)動機（推重比56） 大都在大都在50 年代研制。年代研制。 代表機種：美國的代表機種：美國的J79。第三代：超聲速渦扇發(fā)動機（推重比第三代：超聲速渦扇發(fā)動機（推重比78，有的達到，有的達到9左右）左右） 研制始于研制始于 60 年代，用于高性能超音速戰(zhàn)斗機。年代，用于高性能超音速戰(zhàn)斗機。 代表機種：美國的代表機種：美國的F404、F100、前蘇聯(lián)的、前蘇聯(lián)的AL-31F、 英國的英國的RB199 和法國的和法國的M88-2。第四代：先進技術渦扇發(fā)動機（推重比達到第四代：先進技術渦扇發(fā)動機（推重比達到10） 從從 80 年代中期

7、開始發(fā)展，代表機種有：美國的年代中期開始發(fā)展，代表機種有：美國的 F119、F135、俄羅斯的、俄羅斯的AL-41F 和歐洲四國聯(lián)合研制和歐洲四國聯(lián)合研制 的的EJ200。F-22F119典型第四代航空發(fā)動機之一典型第四代航空發(fā)動機之一 F119F135F-35典型第四代航空發(fā)動機之二典型第四代航空發(fā)動機之二 F135T-50AL-41F典型第四代航空發(fā)動機之三典型第四代航空發(fā)動機之三 AL-41F歐洲戰(zhàn)機歐洲戰(zhàn)機 EF2000 “臺風臺風”典型第四代航空發(fā)動機之四典型第四代航空發(fā)動機之四 EJ200EJ200典型的第四代戰(zhàn)斗機典型的第四代戰(zhàn)斗機F-22 兩臺兩臺F119-PW-1004S:

8、StealthSupersonic cruiseSuper maneuverabilitySuperior AvionicsF-35 一臺一臺F135T-50 兩臺兩臺AL-41F3. F119雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機（普惠）（普惠）設計目標：設計目標：（與（與F100相比）相比） 不加力超音速巡航能力不加力超音速巡航能力 非常規(guī)機動和短距起落能力非常規(guī)機動和短距起落能力 隱身能力隱身能力(低紅外和雷達信號特征低紅外和雷達信號特征) 壽命期費用降低至少壽命期費用降低至少25% 零件數(shù)量減少零件數(shù)量減少4060% 推重比提高推重比提高20% 耐久性提高兩倍耐久性提高兩倍 零件

9、壽命延長零件壽命延長50%F119 與與 F100 的結(jié)構(gòu)比較的結(jié)構(gòu)比較 （支承和渦輪（支承和渦輪）F119F100F119雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機（普惠）（普惠）結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點: 3級風扇級風扇 6級壓氣機級壓氣機 環(huán)形浮動壁燃燒室環(huán)形浮動壁燃燒室 單級高、低壓渦輪單級高、低壓渦輪 加力燃燒室加力燃燒室 二元推力矢量噴管二元推力矢量噴管 結(jié)構(gòu)簡單可靠結(jié)構(gòu)簡單可靠 耐久性好耐久性好 維護性好維護性好 保障性好保障性好F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機3級風扇級風扇 非定常有粘設計的轉(zhuǎn)子葉片非定常有粘設計的轉(zhuǎn)子葉片 無中間凸臺的空心寬弦葉片無中間凸臺的空心寬弦葉片 擴散粘接擴散粘

10、接/線性摩擦焊整體葉盤線性摩擦焊整體葉盤風扇葉片技術風扇葉片技術 Fan Blade TechnologyClapperedWide-chord fan+ 4% efficiency寬弦風扇葉片技術寬弦風扇葉片技術 Wide-chord Fan TechnologyHoneycombconstruction1st generation:19842nd generation:1995DB/SPFconstruction風扇葉片橫截面風扇葉片橫截面 Fan Sectionl Super plastically formedl Diffusion bondedl Super clean enviro

11、nmentl Joints of similar property壓氣機減重壓氣機減重 Compressor Weight ReductionConventionaldisk & bladesBlisk - up to 30% weight savingBling - Ti MMC - up to 70% weight saving金屬基復合材料金屬基復合材料 Metal Matrix CompositesTitanium Metal Matrix CompositeTitanium AlloyNickel SuperalloySpecific StrengthTemperature

12、(degrees C) 高負荷實心寬高負荷實心寬 弦轉(zhuǎn)子葉片弦轉(zhuǎn)子葉片 整體葉盤結(jié)構(gòu)整體葉盤結(jié)構(gòu) 壓氣機轉(zhuǎn)子壓氣機轉(zhuǎn)子 三級可調(diào)靜子三級可調(diào)靜子 葉片葉片 高強度阻燃鈦高強度阻燃鈦 合金靜子葉片合金靜子葉片F(xiàn)119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 6級高壓壓氣機級高壓壓氣機什么叫喘振？什么叫喘振？防喘措施：防喘措施：1. 級間放氣級間放氣2. 可調(diào)進口導流葉片可調(diào)進口導流葉片3. 可調(diào)整流葉片可調(diào)整流葉片4. 多轉(zhuǎn)子多轉(zhuǎn)子5. 處理機匣處理機匣軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施1 1：級間放氣：級間放氣放氣帶放氣帶放氣口

13、放氣口壓氣機機匣壓氣機機匣打開放氣帶打開放氣帶A-AA-AA AA A渦噴渦噴6 6發(fā)動機的壓氣機發(fā)動機的壓氣機軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施2 2：可調(diào)進口導流葉片：可調(diào)進口導流葉片軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施3 3：可調(diào)整流葉片：可調(diào)整流葉片可調(diào)整流葉片可調(diào)整流葉片軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施3 3：可調(diào)整流葉片：可調(diào)整流葉片PW4000PW4000渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機1111級壓氣機級壓氣機4 4級可調(diào)級可調(diào)軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施防喘措施防喘

14、措施3 3：可調(diào)整流葉片：可調(diào)整流葉片軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施4 4：多轉(zhuǎn)子：多轉(zhuǎn)子渦噴渦噴7 7軸流壓氣機的喘振及防喘措施軸流壓氣機的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施4 4：多轉(zhuǎn)子：多轉(zhuǎn)子三轉(zhuǎn)子遄達發(fā)動機三轉(zhuǎn)子遄達發(fā)動機 推力推力423kN423kNHP System6 compressor stages1 Turbine stage 10,000 rpmIP System8 compressor stages1 Turbine stage 7,500 rpmLP System1 Fan stage5 Turbine stages 3,000 rpm

15、俄羅斯的PD-33發(fā)動機軸流壓氣機的喘振及防喘措施防喘措施5：處理機匣昆侖發(fā)動機（渦噴14）F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 環(huán)形燃燒室環(huán)形燃燒室 氣動噴嘴氣動噴嘴 三維高紊流度三維高紊流度 的高旋流頭部的高旋流頭部 浮壁式火焰筒浮壁式火焰筒三種結(jié)構(gòu)形式剖面相同三種結(jié)構(gòu)形式剖面相同燃燒室燃燒室分管燃燒室分管燃燒室環(huán)管燃燒室環(huán)管燃燒室環(huán)形燃燒室環(huán)形燃燒室氣動噴嘴氣動噴嘴普通環(huán)形火焰筒普通環(huán)形火焰筒浮壁式環(huán)形火焰筒浮壁式環(huán)形火焰筒lTiles reduce wall cooling air requirements making more air available for NOx reduction

16、lA significant cost reduction relative to conventional machined combustors is also achievedCold supporting wallCast tileThermal barrier coatingLarge airspray injectors for improved mixing and smoke controlLarge primary zone volume for altitude re-lightSmall total volume for NOx control 高低壓渦輪反轉(zhuǎn)，高低壓渦輪

17、反轉(zhuǎn)， 有導向器有導向器 多通道對流冷卻和多通道對流冷卻和 氣膜冷卻氣膜冷卻 單晶葉片單晶葉片 粉末冶金輪盤粉末冶金輪盤F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 高、低壓渦輪高、低壓渦輪F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 多通道對流冷卻和氣膜冷卻多通道對流冷卻和氣膜冷卻F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 多通道對流冷卻和氣膜冷卻多通道對流冷卻和氣膜冷卻F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 多通道對流冷卻和氣膜冷卻多通道對流冷卻和氣膜冷卻渦輪葉片冷卻渦輪葉片冷卻 Turbine Blade CoolingCooling airMulti-passThermal BarrierCoatingSingle pass渦輪葉片與輪盤的

18、樅樹榫頭聯(lián)接渦輪葉片與輪盤的樅樹榫頭聯(lián)接樅樹樅樹單晶渦輪轉(zhuǎn)子葉片單晶渦輪轉(zhuǎn)子葉片EquiaxedCrystal StructureDirectionallySolidified StructureSingle CrystalF119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 高、低壓轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)高、低壓轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)的好處：對轉(zhuǎn)的好處：提高效率、減輕重量、陀螺力矩、中介軸承提高效率、減輕重量、陀螺力矩、中介軸承對轉(zhuǎn)后風扇對轉(zhuǎn)后風扇（由對轉(zhuǎn)自由動力渦輪驅(qū)動）（由對轉(zhuǎn)自由動力渦輪驅(qū)動）對轉(zhuǎn)后風扇對轉(zhuǎn)后風扇（由對轉(zhuǎn)自由動力渦輪驅(qū)動）（由對轉(zhuǎn)自由動力渦輪驅(qū)動）對轉(zhuǎn)槳扇對轉(zhuǎn)槳扇（由自由動力渦輪驅(qū)動）（由自由動力渦輪驅(qū)動）噴管上、下

19、的收噴管上、下的收擴式調(diào)節(jié)片可單擴式調(diào)節(jié)片可單獨控制喉道與出獨控制喉道與出口面積口面積, 當上、當上、下調(diào)節(jié)片同時向下調(diào)節(jié)片同時向上或向下擺動時上或向下擺動時, 改變了排氣流的改變了排氣流的方向方向, 即改變推即改變推力的方向。排氣力的方向。排氣方向能上下偏轉(zhuǎn)方向能上下偏轉(zhuǎn)正負正負2020度度, , 從正從正2020度度到負到負2020度只度只需需1 1秒鐘。秒鐘。F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 二元收括俯仰矢量噴管二元收括俯仰矢量噴管F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 二元矢量噴管二元矢量噴管F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 二元矢量噴管二元矢量噴管F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 二元矢量噴管二元矢量噴管

20、F119渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機 二元矢量噴管二元矢量噴管F119二元矢量噴管二元矢量噴管 Two-directional Nozzle 4. F135雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機（普惠）雙轉(zhuǎn)子加力式渦扇發(fā)動機（普惠） 聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機F-35的發(fā)動機的發(fā)動機F-35 聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機F135與與F119的比較的比較F135以以F119 發(fā)動發(fā)動機核心機為基礎機核心機為基礎,重重新設計了風扇和低新設計了風扇和低壓渦輪壓渦輪,改進了加力改進了加力燃燒室和噴管。燃燒室和噴管。 風扇截面面積增加風扇截面面積增加 了了10% 20 低壓渦輪增加到低壓渦輪增加到2 級級,以適應增大的以適應

21、增大的 風扇風扇 加力燃燒室平衡了加力燃燒室平衡了 推力性能和隱身性推力性能和隱身性 噴管由二元俯仰矢噴管由二元俯仰矢 量噴管改為軸對稱量噴管改為軸對稱 噴管噴管F135F119F135發(fā)動機實物照片發(fā)動機實物照片 常規(guī)起降型常規(guī)起降型F135發(fā)動機試車發(fā)動機試車 常規(guī)起降型常規(guī)起降型F135發(fā)動機試車發(fā)動機試車 常規(guī)起降型常規(guī)起降型F135發(fā)動機試車發(fā)動機試車 常規(guī)起降型常規(guī)起降型F135發(fā)動機發(fā)動機 短距起飛垂直降落型短距起飛垂直降落型羅羅升力系統(tǒng)羅羅升力系統(tǒng)+P&W+P&W F135F135發(fā)動機（發(fā)動機（短距起飛垂直降落型）短距起飛垂直降落型）為洛克希德馬丁公司研制的為

22、洛克希德馬丁公司研制的F-35F-35閃電閃電II聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機提供短距起飛垂直降落能力提供短距起飛垂直降落能力F-35F-35閃電閃電II聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機F-35F-35閃電閃電IIII垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機用于短距起飛垂直降落飛機的發(fā)動機用于短距起飛垂直降落飛機的發(fā)動機可轉(zhuǎn)向升力噴管可轉(zhuǎn)向升力噴管+ +軸驅(qū)動升力風扇軸驅(qū)動升力風扇ALLISON/ROLLS-ROYCE升力風扇升力風扇ROLLS-ROYCE滾轉(zhuǎn)控制引氣管滾轉(zhuǎn)控制引氣管P&W F119 改型發(fā)動機改型發(fā)動機發(fā)動機噴管發(fā)動機噴管 （垂直推力位置）（垂直推力位置）ROLLS-ROY

23、CE3軸承轉(zhuǎn)向噴管軸承轉(zhuǎn)向噴管發(fā)動機噴管發(fā)動機噴管 （水平推力位置）（水平推力位置）垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機F-35F-35閃電閃電II聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機F-35F-35閃電閃電II聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機尾噴管技術尾噴管技術F135F135發(fā)動機的三軸承矢量噴管發(fā)動機的三軸承矢量噴管F-35F-35戰(zhàn)斗機戰(zhàn)斗機三類垂直三類垂直/ /短距起降飛機：短距起降飛機：英國的鷂式戰(zhàn)斗機、俄羅斯的雅克英國的鷂式戰(zhàn)斗機、俄羅斯的雅克-38-38、美國的、美國的F-35F-35垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距

24、起降發(fā)動機羅爾斯羅爾斯- -羅伊斯公司的羅伊斯公司的 “飛馬飛馬”發(fā)動發(fā)動機機鷂式戰(zhàn)斗機鷂式戰(zhàn)斗機垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機“飛馬飛馬”渦輪風扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)渦輪風扇發(fā)動機結(jié)構(gòu) 垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機鷂式戰(zhàn)斗機鷂式戰(zhàn)斗機最大垂直起飛重量最大垂直起飛重量81658165千克千克最大短距起飛重量最大短距起飛重量1043310433千克千克 垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機“鷂式鷂式”飛機垂直起飛時的姿態(tài)控制飛機垂直起飛時的姿態(tài)控制垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機圖曼斯基圖曼斯基 R-27V-300 R-27V-300 雙轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機雙轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機雅克

25、雅克-38-38艦載戰(zhàn)斗機艦載戰(zhàn)斗機垂直垂直/短距起降發(fā)動機短距起降發(fā)動機雅克雅克-38-38艦載戰(zhàn)斗機垂直起降原理示意圖艦載戰(zhàn)斗機垂直起降原理示意圖5. EJ200渦扇發(fā)動機渦扇發(fā)動機（歐洲發(fā)動機公司）（歐洲發(fā)動機公司）風扇風扇燃燒室燃燒室高壓渦輪高壓渦輪噴管噴管高壓壓氣機高壓壓氣機低壓渦輪低壓渦輪加力燃燒室加力燃燒室歐洲戰(zhàn)機歐洲戰(zhàn)機 EF2000 “臺風臺風”EJ200渦輪風扇發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機（歐洲發(fā)動機公司）（歐洲發(fā)動機公司）最大加力推力最大加力推力 9 t，推重比，推重比 10，最大直徑，最大直徑 0.863 m，長度，長度 3.556 m，質(zhì)量，質(zhì)量 900 kgEJ200渦輪風扇發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機（歐洲發(fā)動機公司）（歐洲發(fā)動機公司）風扇：風扇：3 3級軸流式，三級軸流式，三維跨音速寬弦維跨音速寬弦葉片，無進口葉片，無進口導流葉片，整導流葉片，整體葉盤結(jié)構(gòu)體葉盤結(jié)構(gòu)高壓壓氣：高壓壓氣：5 5級軸流式，