绿色民用航空发动机关键技术

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目 前 ,()$666 发 动 机 采 用 一 系 列 技 术 ,满 足 了 噪 声 标 准 规 定 的 要求,并有 !9?, 的裕度。通用电气 @ 普·惠 发 动 机 联 盟 目 前 研 制 的 %(.!66 发动机采用弯掠宽弦风扇 叶 片 、风 扇 机 匣 声 学 处 理 、叶 片 数 量与间距优化和小突片喷管等降 噪技术,收到了明显的降噪效果。 预 计 ,!66. 年 前 后 投 入 使 用 的 ()+666 齿 轮 驱 动 涡 扇 发 动 机 将 满足规定的噪声要求,并有 96?, 的裕度。
! 45 降 低 噪 声 关 键 技 术 航空发动机噪声是民用飞机 的 主 要 噪 声 源 ,特 别 是 在 起 飞 和 着
航空科学技术·!""# 年第 $ 期
航空科学技术
综述
陆期间的主要噪声源。 由 于 发 动 机 的 噪 声 ,包 括 由 转
子 % 静子尾迹与支板间相互作用 产 生 的 谐 波 噪 声 、涡 流 流 动 与 盘 腔 共 振 产 生 的 任 意 周 期 性 噪 声 、发 动 机 与 燃 烧 室 产 生 的 宽 频 带 噪 声 ,因 而 ,降 噪 需 要 通 过 优 化 发 动 机 循 环 参数和采用先进降低噪声设计等 多种途径。
目 前 ,航 空 发 动 机 设 计 与 制 造 商将研究重点放在了开发和验证 先 进 的 降 低 噪 声 技 术 、显 著 降 低 排 放的燃烧室技术和有效降低有害 物质生成与排放技术上。
一、降低噪声技术 3455 降低噪声技术的发展 !6 世 纪 $6 年 代 以 来 ,世 界 著
名航空发动机设计与制造商一直 致力于降低噪声技术的开发和验 证。
(&) 发动机先进循环设计 改 变 发 动 机 循 环 参 数 ,如 增 大 涵道比、减慢发动机的排气速度 等 ,是 降 低 大 涵 道 比 涡 扇 发 动 机 噪 声 的 可 靠 方 法 。 但 是 ,增 大 涵 道 比 就 要 降 低 风 扇 的 压 比 与 转 速 ,相 应 地 ,就 降 低 了 低 压 系 统 的 效 率 。 为 了保持低压压气机与低压涡轮的 效率,就要增加低压系统的级数。 另 外 ,降 低 风 扇 转 速 就 要 提 高 低 压 转 子 的 力 矩 ,相 应 地 就 要 配 以 较 大 直 径 的 轴 ,这 样 ,核 心 机 的 盘 和 流 路就要受到影响。而过多增大涵道 比(增大到 &" 以上),将会导致风 扇 和 低 压 压 气 机 不 匹 配 。 为 此 ,!" 世 纪 ’" 年 代 末 ,普·惠 、菲 亚 特 航 空 和 ()* 等 航 空 发 动 机 设 计 与 制造商开始联合开发大推力和小 推力级的齿轮驱动涡扇发动机。 齿轮驱动涡扇发动机在风扇 和低压压气机之间引入一个减速 齿 轮 箱 ,使 风 扇 转 速 根 据 风 扇 压 比 的 需 要 选 择 得 较 低 ,以 取 得 最 大 的 效率和最低的噪声。低压压气机转 速按常规涡扇发动机的要求选择 得 较 快 ,以 减 少 低 压 压 气 机 和 低 压 涡 轮 的 级 数 ,使 低 压 系 统 与 核 心 机 设 计 得 更 紧 凑 ,进 而 降 低 费 用 和 减 轻 质 量 。 这 样 ,齿 轮 驱 动 涡 扇 发 动 机的各部件都在最优的转速下工 作 ,在 不 牺 牲 低 耗 油 率 和 低 排 放 特
二、降低排放技术 降低航空发动机 89:;%<=%<9
排 放 量 最 实 用 的 方 法 ,是 通 过 改 进 燃 烧 室 部 件 ,将 燃 烧 室 中 的 燃 油 与 空气的燃烧温度控制在 89:%<=%<9 生 成 量 均 小 的 &$>"" &3""? 的温度范围内。为此,世界 著名的航空发动机设计与制造商 展 了 大 量 的 理 论 和 试 验 研 究 ,成 功 推出了多种低排放燃烧技术。另 外 ,这 些 公 司 开 发 的 高 效 冷 却 技 术 和 先 进 的 材 料 技 术 ,也 大 大 减 小 了 冷 却 空 气 量 ,且 使 燃 烧 室 出 口 温 度 较均匀,从而降低了 89:;%<=%<9 的排放量。
!" 世 纪 ’" 年 代 后 期 以 来 ,世 界著名的航空发动机设计与制造 商又开发了更先进的降低噪声与 降 低 排 放 技 术 ,并 提 出 了“ 绿 色 ” 发动机概念。
所 谓“ 绿 色 ”发 动 机 ,是 指 在 整个寿命周期内对生态环境与人
类的健康和安全都产生最小影响 的 发 动 机 ,即 从 材 料 的 获 取 、整 机 和 零 部 件 的 设 计 、 制 造 、 使 用 、维 护 ,直 至 报 废 后 材 料 的 重 新 利 用 等 发 动 机 的 整 个 研 制 与 使 用 过 程 ,都 是“环保、健康且安全”的。
通用电气公司先后实施了安 静 发 动 机 计 划 、安 静 清 洁 的 短 途 试 验 性 发 动 机(708&&)计 划 、高 效 节 能 发 动 机(&9)计 划 和 无 涵 道 风 扇(:;1)发 动 机 计 划 等 ,验 证 了
大 量 的 降 低 噪 声 技 术 ,并 正 在 开 发 围 巾 式 进 口 、叶 型 尾 迹 管 理 等 新 技 术。
而 降 低 排 气 噪 声 。 其 中 ,小 突 片 喷 管 ,使 流 场 结 构 便 于 在 喷 气 剪 切 层 混合,从而降低低频噪声。
围巾式短舱进口 (短舱进口 的下部较其上部向前伸出) 是一 种传统的降 低 噪 声 方 案 。!" 世 纪 ’" 年代早期 , 已 经 验 证 了 该 技 术 的 降 低 噪 声 效 果 ,最 近 解 决 了 由 进 口不对称性引起的减弱降低噪声 效 果 的 进 气 畸 变 问 题 后 ,该 技 术 又 获得新生。
综述
航空科学技术
绿色民用航空发动机关键技术
!沈阳发动机设计研究所 梁春华
摘要:随着降低排放与降低噪声技术的快速发展,!6 世纪 ’6 年代 末,航空发动机设计与制造商提出了“绿色”发动机概念。该文综 述 了 常 规 大 涵 道 比 涡 扇 发 动 机 的 三 大“ 绿 色 ”技 术— — — 先 进 的 降 低噪声技术、降低排放的技术和降低有害物质生成与排放的技术。
性 的 前 提 下 ,可 最 大 程 度 地 降 低 噪 声。这一技术正在先进的涵道桨扇 !+,-. 验 证 机 和 先 进 技 术 的 风 扇 集 成器(+)/0)验证机上进行验证。
(!) 降低噪声设计 在 降 低 发 动 机 噪 声 方 面 ,尽 管 采用先进的循环设计是可靠方法, 但 是 ,在 发 动 机 循 环 参 数 保 持 不 变 的 情 况 下 ,更 多 的 还 是 依 赖 部 件 的 先进降低噪声技术和短舱 % 安装 的降低噪声技术等。 经过多年的研究和验证,先进的 部件降低噪声技术,已经比较成熟, 并在 123"、-45"’5、遄达 ’"" 等现 役民用大涵道比涡扇发动机上收 到了较好的降低噪声效果。目前, 航空发动机设计与制造商正在开 发 和 验 证 6, 叶 型 、尾 迹 管 理 等 新 的部件降低噪声技术。 采用 6, 叶型(包括掠形转子 叶片和变掠静子叶片) 技术可以 控 制 风 扇 和 压 气 机 的 流 量 ,以 使 噪 声最小。 风 扇 尾 迹 管 理 技 术 — ——吹 气 风扇叶片技术是一种革新的降低 风扇基本噪声的技术。它的原理是 通过将气流喷入风扇转子叶片后 缘 ,减 小 风 扇 尾 流 损 失 ,使 流 到 下 游 静 子 的 流 场 更 均 匀 、静 子 叶 片 的 非 稳 载 荷 更 小 ,进 而 降 低 风 扇 转 子 与静子相互作用的基本噪声。试验 表 明 ,在 谐 波 的 基 础 上 ,叶 片 后 缘 吹气能够使前 5 级谐波的尾流谐 振波幅减小一半以上。 采用风扇 % 核心机混合器(如 波瓣式混合 器 )、用 于 起 飞 和 着 陆 状态的外部气流混合器 % 引射器、 可 变 面 积 风 扇 喷 管 、气 动 造 型 的 核 心 机 喷 管( 如 小 突 片 喷 管 )7 可 以 降 低 排 气 速 度 和 改 善 气 流 混 合 ,从
普·惠公司 !6 世纪 $6 年代末 研 制 的 <=’; 发 动 机 就 已 经 在 降 低噪声方面取得了突破,之后在 ()!666、>!#66、()*666 等 发 动 机 上 得 到 了 进 一 步 的 发 展 ,目 前 正 在开发和验证齿轮驱动涡扇发动 机等更先进的技术。
罗·罗 公 司 和 斯 奈 克 玛 公 司 研 制的湍达系列发动机、,-./6 发动 机和 012#$ 发动机等已经取得了 很 好 的 降 低 噪 声 效 果 ,并 正 在 开 发 降 低 风 扇 噪 声 技 术 、发 动 机 一 体 化 技 术 、涡 轮 机 械 噪 声 抑 制 和 采 用 智 能控制的主动噪声控制技术等。
&@;; 分级燃烧低排放技术 (&) 轴向分级燃烧室 轴向分级燃烧室不改变空气 的 分 配 比 ,而 是 调 节 从 一 个 区 到 另 一 个 区 的 燃 油 分 配 比 ,从 而 维 持 相 对 恒 定 的 燃 烧 温 度 ,并 将 慢 车 状 态 和 起 飞 状 态 分 开 ,以 达 到 降 低 发 动 机的总排放量的目的。轴向分级燃 烧 室 具 有 点 火 快 速 可 靠 、主 区 燃 烧 效 率 高 、出 口 径 向 温 度 剖 面 稳 定 等 优点。普·惠、斯奈克玛、罗·罗等发 动机设计与制造商都在研制这种 燃烧室。
关键词! 5绿色航空发动机 降低排放 降低噪声 降低有害物生 成
随着 市 场 竞 争 的 日 益 激 烈 、环 境要求的更加严格和人类健 康 要 求 的 不 断 提 高 ,民 用 大 涵 道 比 航空发动机的环保特性也在不断 改善。
由于大涵道比涡扇发动机的 噪声和排放物问题直接影响着民 用航空发动机的使用和发展,!" 世 纪 $" 年代以来,经过验证的降低噪 声的弯掠叶片、吸声材料、双环腔低 排放燃烧室、轴向分级低排放燃烧室 等 技 术 , 已 经 应 用 在 %&’"、 ()*"+*、 遄 达 +""、 遄 达 ’""、 ,-./"、012#$、%(.!"" 等 大 涵 道 比 民 用 涡 扇 发 动 机 上 ,并 收百度文库到 了 很 好的环保效果。
航空科学技术·!""# 年第 $ 期
综述
航空科学技术
(!) 径向分级燃烧室 径向分级燃烧室采用双环形 燃烧室。一个外燃烧室按小负荷设 计 ,以 提 供 起 动 、高 空 点 火 和 慢 车 状 态 所 需 的 所 有 温 升 ;其 他 燃 烧 室 按 大 负 荷 设 计 ,有 一 个 小 的 大 负 荷 燃 烧 区 ,驻 留 时 间 短 ,当 量 比 小 ,使 %&’ 排放量小。径向分级燃烧室具 有使火焰筒的长度 ( 高度比合理、 长 度 短 、重 量 轻 、转 子 动 力 学 问 题 少、防积炭等优点。 ()) *+, 燃烧室 *+, 燃 烧 室 是 一 种 特 殊 的 分 级燃烧室。其前面是一个富油燃烧 级 ,中 间 为 一 个 快 速 猝 熄 级 ,后 面 为一个贫油燃烧级。在富油燃烧 级 ,控 制 燃 油 ( 空 气 比( 通 常 控 制 在 -.!!-.$ 的 当 量 比 内 ), 降 低 火 焰温度和氧气量,从而降低 %&’ 和 /& 的排放量;在快速猝熄级,通过 引 入 大 量 空 气 ,完 成 由 富 油 级 向 贫 油 级 的 瞬 间 过 渡 ,同 时 防 止 出 现 接 近 理 想 当 量 比 的 %&’ 生 成 量 大 的 区 ;在 贫 油 燃 烧 级 ,选 择 满 足 所 有 排放物要求的当量比 (典型的值 为 ".#!".0),以控制燃烧温度,使 %&’、/& 和 /1 的排放量都小。普· 惠和通用电气等航空发动机设计 与制造商都在研制这种燃烧室。 普·惠 公 司 一 直 在 研 制 和 改 进 23,&% 系列燃烧室。该燃烧室是 一 种 *+, 分 级 燃 烧 室 。 第 ! 代 23,&% 燃 烧 室 %&’ 排 放 量 较 4/3&5 /367(! 的 规 定 低 8"9 ! #"9,已经应用于 6:8""" 系列发 动 机 上 ,并 进 一 步 应 用 于 6:$""" 发动机上。!" 世纪 ;" 年代,普·惠 公 司 发 展 了 第 ) 代 23,&% 燃 烧 室 ,采 用 了 整 体 铸 造 的 扩 压 器 与 气 动 雾 化 喷 嘴 和 浮 动 壁 火 焰 筒 ,预 计
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