第四代战斗机发动机的结构特点

1.2 第四代战斗机发动机的发展现状
• 始于上世纪80年代初，苏联第三代战斗机开始 服役，美国为领先苏联，开始下一代战斗机发 动机研制 • 欧洲：合作研制欧洲战斗机EF2000台风, 法国 独自研制阵风 • 俄罗斯第四代战斗机的起步较晚，上世纪90年 代以来，Su-27的改进改型：Su-30，Su-33， Su-34，Su-35，验证机：Su-47，MIG1.44，现 在与印度联合研制PAK FA
F119与F100比较
F100到F119的发展进程，代表了现化 到 的发展进程， 的发展进程 民用发动机的发展趋势 发动机的发展趋势， 军、民用发动机的发展趋势，即发动机性 可靠性不断提高，寿命越来越长。 能、可靠性不断提高，寿命越来越长。 这是由于广泛采用了先进的设计与制造 这是由于广泛采用了先进的设计与制造 技术、先进的金属与非金属材料等 技术、先进的金属与非金属材料等，使发 动机的循环参数不断提高， 动机的循环参数不断提高，结构越来越简 零件数越来越少， 单，零件数越来越少，零部件重量不断减 少所得到的结果。 少所得到的结果。
欧洲
• 之前主战机种以美国F-4, F-5为主，有法 国幻影系列，瑞典 • 联合研制狂风，法国幻影2000，瑞典 • RB199, M53
苏联/俄罗斯
• 冷战时期，与美国抗衡，先进战术战斗 机（重，轻） • RD-33, AL-31F • RD-33M, RD-93, RD-133 • AL-31FN, AL-31FP, 117S
HPC静叶 静叶 不对称排列(PW4084)
整体叶环
BLING=BLADE+RING
重量
常规 100%
Blisk 50%
Bling 30%
整体叶环
受环强度限制 只能用金属基复 合材料制造 钛基复合材料的 整体叶环(R.R) 整体叶环
刷式封严(刷封 刷式封严 刷封) 刷封
接触式封严 封严效果好 • 能保持长期工作 • 用于 用于HPC后发动机性能提高～2% 后发动机性能提高～ 后发动机性能提高
齿轮传动的 涡轮风扇发动机
传递功率 23860 kW 减速比 1/3 D 0.457m W 640kg(0.98 kg/100马力 传动效率 0.99.5 马力) 马力 投资3.5亿美元 投资 亿美元
某些特殊结构 (1)
焊接的双幅板 涡轮盘
第四代战斗机发动机结构特点
提 纲
1 战斗机发动机发展现状及趋势 Βιβλιοθήκη Baidu 第四代战斗机发动机的总体特点 3 第四代战斗机发动机的新结构技术
1 战斗机发动机发展现状及趋势
1.1 第三代战斗机发动机及其衍生发展 1.2 第四代战斗机发动机的发展现状 1.3 先进航空发动机技术的发展趋势
1.1 第三代战斗机发动机及其衍生发展
美国
• 美国ATF计划（先进战术战斗机）：超 音速巡航，非常规机动、短距起落，隐 身，加力推重比提高20％ • YF119（胜出）, YF120（失败） • F/A-22，太昂贵，又发展JSF（F-35） • F135, F136（备用发动机） • F136前途未卜，2009年5月，奥巴马及国 防部长盖茨不支持F136
291.0 343.2 392.2 400.0 455.6
405
1.16 1.20 1.3179 1.32 1.368
1.349(1.32) 1.477 1.6437
宽弦叶片
高压压气机弯曲形静叶 高压压气机弯曲形静叶
PW4084 F119 利用NASTAR 利用 设计， 设计，减少 端壁损失
• • • • • •
燃烧室 浮壁式火焰筒
（F119、V2500） 、 ）
燃烧室 铸造多孔火焰筒 GE90
GTD 222精铸 精铸 激光打斜孔
燃烧室
燃烧室
气动式喷咀
层板冷却
（5）涡轮
涡 轮
复合倾斜的导向叶片 单晶或定向结晶叶片 复杂的冷却结构 粉未冶金的轮盘 双重热处理的轮盘
涡轮
复杂的冷却结构 高、低压空气进入 带篦齿与肋条的冠
刷式封严
压气机工作 叶片叶尖处 所用的刷封 (IHPTET)
（4）燃烧室
双环腔燃烧室( 双环腔燃烧室 GE90)
起动-慢车 起动 慢车 低 CO/HC 大于慢车 低 NOX、烟 、 低污染
燃烧室 分级燃烧室
罗.罗、普惠公司 罗
燃烧室
内、外机匣 连同带叶栅 的扩散器整 体铸出 GE：CF6-80C2 ：
RB211-524G/H
涡 轮
遄达高压涡轮工作叶片
涡 轮
RB211-524G
高压涡轮工作 叶片根部的 减振块
（6）矢量喷管
F119的二维 矢量喷管 的二维
（7）特殊结构
齿轮传动的 涡轮风扇发动机
PW8000
115～162 kN ～ 减速器 高压比高压压气机 (5级 12 1.6437) 级数少 1+3+5--１-1+3 级 １
传统的风扇叶片
叶身带中间突肩 作用： 作用： 振动、 振动、FOD 相互抵紧形成一环
风扇叶片
带凸肩叶片
问题
制造 强度 性能
宽弦风扇叶片
采用宽弦解决抗 FOD、振动 、 采用空心或复合 材料以减重 材料以减重 GE90 复合材料 RB211-535E4 蜂窝芯 TRENT DB/SPF PW4084、F119 铣槽 、
F119与F100比较
F100(上图 上图) 上图
F119(下图 下图) 下图
转子支承方案
• 普.惠的传统设计 惠的传统设计
JT9D、PW2000、PW4000、F100、V2500 、 、 、 、
转子支承方案
• GE公司的设计 公司的设计
F101、F110、F404、CFM56 、 、 、
宽弦风扇叶片
扩散连接/超塑性成型 扩散连接 超塑性成型 (DB/SPF)宽弦风扇叶片 宽弦风扇叶片 带蜂窝芯 的宽弦风 扇叶片
圆弧形榫头、 圆弧形榫头、榫槽
GE ： TF39、CF6、F101、 、 、 、 F404、F110 、 PW： F100-PW-229、80中民 ： 、 中民 R&R: EJ200 (RB199无） 无 SNECMA：M88 ：
1.3 先进航空发动机技术的发展趋势
• 上世纪80年代末，美国IHPTET计划， 2005年结束 • 本世纪初，美国VAATE计划，至2017年 • 欧洲： • 俄罗斯：
IHPTET计划
VAATE计划
未来战斗机？
• 是否会继续研制发展类似第三、第四代 喷气式战斗机的下一代有人驾驶先进战 斗机，不得而知 • 无人战斗机备受关注 • 美国： • 欧洲：
前、后掠风扇叶片
• TRENT 8104
TRENT 8104
TECH56
F119 复合材料风扇机匣
外环、内毂、 外环、内毂、叶型支板模塑 成一整体采用树脂传递成型法 RTM, 通道表面光滑且满足尺寸 要求 重量比钛制轻6.75kg 重量比钛制轻
包容环
多层 Kevlar 条带缠绕在 铝制薄机匣 上，外围以 环氧树脂。 环氧树脂。
大小叶片
阻燃钛合金
• 钛合金着火问题严重，阻碍了在高压压气 钛合金着火问题严重， 机机匣上采用钛合金 • 钛合金中含 量大于 钛合金中含V量大于 量大于25% 、含Cr量大于 量大于 15%时有较好的阻燃性能 时有较好的阻燃性能 • Alloy C (Ti-35V-15Cr) 在F119上应用 上应用 • R.R公司正在发展价廉的 公司正在发展价廉的 Ti-25V-15Cr-2Al (621所参加 所参加) 所参加
F119与F100比较
F119的某些特点 的某些特点
1. HPT用中介轴承支承于 用中介轴承支承于LPT (PW6000) 用中介轴承支承于 2. 空心宽弦风扇叶片 3. 整体叶盘 凤扇、压气机 整体叶盘(凤扇 压气机) 凤扇、 4. 高压比压气机 5. 弯曲静叶 高压压气机 弯曲静叶(高压压气机 高压压气机) 6. 浮壁式燃烧室 7. 气动式喷咀 8. 反转高、低压涡轮 9. 单级高温涡轮 反转高、 10. 双重热处理涡轮盘 11. 矢量喷口 12. 阻燃钛合金 Alloy C：压气机机匣、加力筒体、 ：压气机机匣、加力筒体、 喷口调节片) 喷口调节片
燃烧室火焰筒
• • • • 结构形式与制造方法 锻件机械加工 滚压成环段、 滚压成环段、焊接而成 浮壁式结构 铸造、 铸造、激光打多孔
PW4000燃烧室 燃烧室
火焰筒
• • • • •
由滚轧出的环形段焊接 (EBW) 而成 焊缝位于冷却孔附近的冷区 采用Hastelloy X 镍基高温合金 采用 与燃气接触的表面用等离子喷涂一层隔热涂层 头部用Inconel 625 镍基合金铸出级 头部用
• EJ200
2.3 俄罗斯
3 第四代战斗机发动机的新结构技术
3.1 风扇 3.2 压气机 3.3 燃烧室 3.4 涡轮 3.5 加力燃烧室 3.6 喷管
3.1 风扇
F119 F135 YF120 F136 EJ200 M88 117S AL-41
3.2 压气机
（2）风扇
整体叶盘
整体叶盘
应用情况
• • • • • • • • EJ200 第3级风扇 第1级高压压气机 级风扇, 级风扇 级高压压气机 F414 2、3级风扇，1、2、3级高压压气机 级风扇， 、 、 级高压压气机 、 级风扇 F414改进型 全部 6 级高压压气机 改进型 F119 三级风扇、六级高压压气机全部 三级风扇、 BR715 二级增压压气机 F110-GE-129R 三级宽弦风扇全部 F100-PW-229A 2、3级宽弦风扇 、 级宽弦风扇 F110-GE-132(142 kN) 三级宽弦风扇全部
2 第四代战斗机发动机的总体特点
2.1 美国 F119、F135、YF120、F136 2.2 欧洲 EJ200、M88 2.3 俄罗斯 AL-41、117S
2.1 美国
F-22用发动机
F119-PW-100
• • • • • • 35 总压比 ~0.2 涵道比 涡轮前燃气温度 ~1850~1950 K 3+6___1+1 反向转动的双转子 157.5 kN 推力 10.0 推重比
• 现役主力战斗机为第三代喷气式战斗机 • 始于上世纪60年代末、70年代初，越南 战争的检验，美、俄飞机的较量，提出 新的战术技术要求 • 要求发动机高性能参数 • 研制观念转变，开始重视结构完整性 • 衍生发展
美国
• • • • • 空中优势战斗机F-15, F-16, F/A-18 F100, F110, F404 F100-220, 229 F110-120, 129, 132 F414
（3）压气机
高级压比的压气机
典型压气机主要参数
叶尖线速m/s 平均级压比 发动机 级数 增压比 叶尖线速 J79 CF6-80C2 CFM56-3 CFM56-5C GE90
V2500 PW6000 PW8000
17 14 9 9 10
10 6 5
12 13 12 12.16 23
20 10.4 12
端 部 弯 曲 叶 片
整体叶盘
BLISK=BLADE+DISK
特点
去掉榫根 盘缘减短 重量降低 零件数减少 消除榫槽漏气 消除榫槽与 榫根间磨蚀
整体叶盘
• • • • 加工方法 五座标数控铣削 电化学加工 ECM 电子束焊 线性摩擦焊 LFW
整体叶盘
线性摩擦焊LFW加工整 加工整 线性摩擦焊 体叶盘
欧洲
• 80年代初，欧洲（包括法国）计划联合 研制EFA2000，后法国退出独立研制阵 风，英、德、意、西联合研制EF2000 • 英、德、意、西联合研制EJ200发动机 • 法国独立研制M88发动机，M88-2 • 与美国F119、F135、F136有差距
俄罗斯
• 为与美国抗衡，上世纪90年代，验证机 Su-47金雕，MIG 1.44 • 联盟发展，土星发展AL-41 • 以Suhoi为主，研制第四代（俄称第五代） 战斗机PAK FA，又拉印度加入 • AL-41F，发展不顺利，中期以117S （AL-31F的重大改型）进行试飞
YF120 (1)
变循环
级风扇后) 可调外涵通道 (2级风扇后 级风扇后 固定外涵通道 (1级HPC后) 级 后 可变面积的掺混器(LPT后) 后 可变面积的掺混器
YF120 (2)
反转涡轮无低压涡轮导向叶片 • 风扇仅 2 级，HPC 5 级 • 总叶片排数比 F119 少 5 排
2.2 欧洲