第四代发动机先进结构

1、第四代航空发动机先进结构第四代航空发动机先进结构Advanced Structures of the 4th Generation Aeroengines王克明王克明1. 航空燃气涡轮发动机简介航空燃气涡轮发动机简介2. 四代航空发动机的划分四代航空发动机的划分 （战斗机的燃气涡轮发动机）（战斗机的燃气涡轮发动机） 3. F119F119双转子加力式涡扇发动机（普惠）双转子加力式涡扇发动机（普惠）4. F135 F135双转子加力式涡扇发动机（普惠）双转子加力式涡扇发动机（普惠）5. EJ200 EJ200涡扇发动机（欧洲发动机公司）涡扇发动机（欧洲发动机公司）本次讲座的主要内容本次讲座的主要

2、内容波音波音747-400 （发动机：（发动机： PW 4056 GE CF6-80C2B5F RR RB211-524H ）空载重量：空载重量：179 吨，最大加油量：吨，最大加油量：170 吨，载客量：吨，载客量：416 座，最大起飞重量：座，最大起飞重量：397 吨吨单台发动机的最大起飞推力：单台发动机的最大起飞推力：27 吨吨 （ RR RB211-524H ）航空燃气涡轮发动机的作用及力学原理航空燃气涡轮发动机的作用及力学原理1. 航空燃气涡轮发动机简介航空燃气涡轮发动机简介作用：为飞机提供推力作用：为飞机提供推力原理：作用反作用原理原理：作用反作用原理波音波音747-400 （发动

3、机：（发动机： PW 4056 GE CF6-80C2B5F RR RB211-524H ）巡航高度：巡航高度：10670 m, 巡航马赫数巡航马赫数 M=0.85，飞机尺寸：，飞机尺寸：70.7m X 68.6 m X 19.4 m单台发动机的巡航推力：单台发动机的巡航推力：5.36 吨吨 （ RR RB211-524H ）航空燃气涡轮发动机的作用及力学原理航空燃气涡轮发动机的作用及力学原理作用：为飞机提供推力作用：为飞机提供推力原理：作用反作用原理原理：作用反作用原理燃气涡轮发动机的工作原理燃气涡轮发动机的工作原理涡轮喷气发动机与活塞发动机工作循环的对比涡轮喷气发动机与活塞发动机工作循环的

4、对比航空燃气涡轮发动机的分类航空燃气涡轮发动机的分类航空燃气涡轮发动机航空燃气涡轮发动机涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机涡轴轮发动机涡轴轮发动机桨扇发动机桨扇发动机垂直垂直/ /短距起降短距起降发动机发动机FanPTG/ BPTPropellerG/ BPTTurbojetTurbofanTurbopropTurboshaftNozzleGGStart here航空燃气涡轮航空发动机的四种基本类型航空燃气涡轮航空发动机的四种基本类型燃气涡轮发动机的工作循环和气流燃气涡轮发动机的工作循环和气流典型单转子涡轮喷气发动机的气流参数变化规律典型单

5、转子涡轮喷气发动机的气流参数变化规律燃气涡轮发动机的工作循环和气流燃气涡轮发动机的工作循环和气流流过小涵道比和大涵道比涡轮风扇发动机的气流流过小涵道比和大涵道比涡轮风扇发动机的气流双转子轴流双涵道涡轮风扇发动机（小涵道比）双转子轴流双涵道涡轮风扇发动机（小涵道比）双转子轴流双涵道涡轮风扇发动机（大涵道比）双转子轴流双涵道涡轮风扇发动机（大涵道比）2. 四代航空发动机的划分四代航空发动机的划分（战斗机的燃气涡轮发动机（战斗机的燃气涡轮发动机） 第一代：单转子亚音速喷气发动机（推重比第一代：单转子亚音速喷气发动机（推重比34） 20 世纪世纪3040 年代研制。年代研制。 代表机种：美国的代表机种

6、：美国的J47。第二代：超声速涡喷发动机（推重比第二代：超声速涡喷发动机（推重比56） 大都在大都在50 年代研制。年代研制。 代表机种：美国的代表机种：美国的J79。第三代：超声速涡扇发动机（推重比第三代：超声速涡扇发动机（推重比78，有的达到，有的达到9左右）左右） 研制始于研制始于 60 年代，用于高性能超音速战斗机。年代，用于高性能超音速战斗机。 代表机种：美国的代表机种：美国的F404、F100、前苏联的、前苏联的AL-31F、 英国的英国的RB199 和法国的和法国的M88-2。第四代：先进技术涡扇发动机（推重比达到第四代：先进技术涡扇发动机（推重比达到10） 从从 80 年代中期

7、开始发展，代表机种有：美国的年代中期开始发展，代表机种有：美国的 F119、F135、俄罗斯的、俄罗斯的AL-41F 和欧洲四国联合研制和欧洲四国联合研制 的的EJ200。F-22F119典型第四代航空发动机之一典型第四代航空发动机之一 F119F135F-35典型第四代航空发动机之二典型第四代航空发动机之二 F135T-50AL-41F典型第四代航空发动机之三典型第四代航空发动机之三 AL-41F欧洲战机欧洲战机 EF2000 “台风台风”典型第四代航空发动机之四典型第四代航空发动机之四 EJ200EJ200典型的第四代战斗机典型的第四代战斗机F-22 两台两台F119-PW-1004S:

8、StealthSupersonic cruiseSuper maneuverabilitySuperior AvionicsF-35 一台一台F135T-50 两台两台AL-41F3. F119双转子加力式涡扇发动机双转子加力式涡扇发动机（普惠）（普惠）设计目标：设计目标：（与（与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 非常规机动和短距起落能力非常规机动和短距起落能力 隐身能力隐身能力(低红外和雷达信号特征低红外和雷达信号特征) 寿命期费用降低至少寿命期费用降低至少25% 零件数量减少零件数量减少4060% 推重比提高推重比提高20% 耐久性提高两倍耐久性提高两倍 零件

9、寿命延长零件寿命延长50%F119 与与 F100 的结构比较的结构比较 （支承和涡轮（支承和涡轮）F119F100F119双转子加力式涡扇发动机双转子加力式涡扇发动机（普惠）（普惠）结构特点结构特点: 3级风扇级风扇 6级压气机级压气机 环形浮动壁燃烧室环形浮动壁燃烧室 单级高、低压涡轮单级高、低压涡轮 加力燃烧室加力燃烧室 二元推力矢量喷管二元推力矢量喷管 结构简单可靠结构简单可靠 耐久性好耐久性好 维护性好维护性好 保障性好保障性好F119涡扇发动机涡扇发动机3级风扇级风扇 非定常有粘设计的转子叶片非定常有粘设计的转子叶片 无中间凸台的空心宽弦叶片无中间凸台的空心宽弦叶片 扩散粘接扩散粘

10、接/线性摩擦焊整体叶盘线性摩擦焊整体叶盘风扇叶片技术风扇叶片技术 Fan Blade TechnologyClapperedWide-chord fan+ 4% efficiency宽弦风扇叶片技术宽弦风扇叶片技术 Wide-chord Fan TechnologyHoneycombconstruction1st generation:19842nd generation:1995DB/SPFconstruction风扇叶片横截面风扇叶片横截面 Fan Sectionl Super plastically formedl Diffusion bondedl Super clean enviro

11、nmentl Joints of similar property压气机减重压气机减重 Compressor Weight ReductionConventionaldisk & bladesBlisk - up to 30% weight savingBling - Ti MMC - up to 70% weight saving金属基复合材料金属基复合材料 Metal Matrix CompositesTitanium Metal Matrix CompositeTitanium AlloyNickel SuperalloySpecific StrengthTemperature (deg

12、rees C) 高负荷实心宽高负荷实心宽 弦转子叶片弦转子叶片 整体叶盘结构整体叶盘结构 压气机转子压气机转子 三级可调静子三级可调静子 叶片叶片 高强度阻燃钛高强度阻燃钛 合金静子叶片合金静子叶片F119涡扇发动机涡扇发动机 6级高压压气机级高压压气机什么叫喘振？什么叫喘振？防喘措施：防喘措施：1. 级间放气级间放气2. 可调进口导流叶片可调进口导流叶片3. 可调整流叶片可调整流叶片4. 多转子多转子5. 处理机匣处理机匣轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施1 1：级间放气：级间放气放气带放气带放气口放气口压

13、气机机匣压气机机匣打开放气带打开放气带A-AA-AA AA A涡喷涡喷6 6发动机的压气机发动机的压气机轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施2 2：可调进口导流叶片：可调进口导流叶片轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施3 3：可调整流叶片：可调整流叶片可调整流叶片可调整流叶片轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施3 3：可调整流叶片：可调整流叶片PW4000PW4000涡扇发动机涡扇发动机1111级压气机级压气机4 4级可调级可调轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施3

14、3：可调整流叶片：可调整流叶片轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施4 4：多转子：多转子涡喷涡喷7 7轴流压气机的喘振及防喘措施轴流压气机的喘振及防喘措施防喘措施防喘措施4 4：多转子：多转子三转子遄达发动机三转子遄达发动机 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俄罗斯的

15、PD-33发动机轴流压气机的喘振及防喘措施防喘措施5：处理机匣昆仑发动机（涡喷14）F119涡扇发动机涡扇发动机 环形燃烧室环形燃烧室 气动喷嘴气动喷嘴 三维高紊流度三维高紊流度 的高旋流头部的高旋流头部 浮壁式火焰筒浮壁式火焰筒三种结构形式剖面相同三种结构形式剖面相同燃烧室燃烧室分管燃烧室分管燃烧室环管燃烧室环管燃烧室环形燃烧室环形燃烧室气动喷嘴气动喷嘴普通环形火焰筒普通环形火焰筒浮壁式环形火焰筒浮壁式环形火焰筒lTiles reduce wall cooling air requirements making more air available for NOx reductionlA s

16、ignificant 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 高低压涡轮反转，高低压涡轮反转，

17、有导向器有导向器 多通道对流冷却和多通道对流冷却和 气膜冷却气膜冷却 单晶叶片单晶叶片 粉末冶金轮盘粉末冶金轮盘F119涡扇发动机涡扇发动机 高、低压涡轮高、低压涡轮F119涡扇发动机涡扇发动机 多通道对流冷却和气膜冷却多通道对流冷却和气膜冷却F119涡扇发动机涡扇发动机 多通道对流冷却和气膜冷却多通道对流冷却和气膜冷却F119涡扇发动机涡扇发动机 多通道对流冷却和气膜冷却多通道对流冷却和气膜冷却涡轮叶片冷却涡轮叶片冷却 Turbine Blade CoolingCooling airMulti-passThermal BarrierCoatingSingle pass涡轮叶片与轮盘的枞树榫头

18、联接涡轮叶片与轮盘的枞树榫头联接枞树枞树单晶涡轮转子叶片单晶涡轮转子叶片EquiaxedCrystal StructureDirectionallySolidified StructureSingle CrystalF119涡扇发动机涡扇发动机 高、低压转子对转高、低压转子对转对转的好处：对转的好处：提高效率、减轻重量、陀螺力矩、中介轴承提高效率、减轻重量、陀螺力矩、中介轴承对转后风扇对转后风扇（由对转自由动力涡轮驱动）（由对转自由动力涡轮驱动）对转后风扇对转后风扇（由对转自由动力涡轮驱动）（由对转自由动力涡轮驱动）对转桨扇对转桨扇（由自由动力涡轮驱动）（由自由动力涡轮驱动）喷管上、下的收喷管

19、上、下的收扩式调节片可单扩式调节片可单独控制喉道与出独控制喉道与出口面积口面积, 当上、当上、下调节片同时向下调节片同时向上或向下摆动时上或向下摆动时, 改变了排气流的改变了排气流的方向方向, 即改变推即改变推力的方向。排气力的方向。排气方向能上下偏转方向能上下偏转正负正负2020度度, , 从正从正2020度度到负到负2020度只度只需需1 1秒钟。秒钟。F119涡扇发动机涡扇发动机 二元收括俯仰矢量喷管二元收括俯仰矢量喷管F119涡扇发动机涡扇发动机 二元矢量喷管二元矢量喷管F119涡扇发动机涡扇发动机 二元矢量喷管二元矢量喷管F119涡扇发动机涡扇发动机 二元矢量喷管二元矢量喷管F119

20、涡扇发动机涡扇发动机 二元矢量喷管二元矢量喷管F119二元矢量喷管二元矢量喷管 Two-directional Nozzle 4. F135双转子加力式涡扇发动机（普惠）双转子加力式涡扇发动机（普惠） 联合攻击战斗机联合攻击战斗机F-35的发动机的发动机F-35 联合攻击战斗机联合攻击战斗机F135与与F119的比较的比较F135以以F119 发动发动机核心机为基础机核心机为基础,重重新设计了风扇和低新设计了风扇和低压涡轮压涡轮,改进了加力改进了加力燃烧室和喷管。燃烧室和喷管。 风扇截面面积增加风扇截面面积增加 了了10% 20 低压涡轮增加到低压涡轮增加到2 级级,以适应增大的以适应增大的

21、风扇风扇 加力燃烧室平衡了加力燃烧室平衡了 推力性能和隐身性推力性能和隐身性 喷管由二元俯仰矢喷管由二元俯仰矢 量喷管改为轴对称量喷管改为轴对称 喷管喷管F135F119F135发动机实物照片发动机实物照片 常规起降型常规起降型F135发动机试车发动机试车 常规起降型常规起降型F135发动机试车发动机试车 常规起降型常规起降型F135发动机试车发动机试车 常规起降型常规起降型F135发动机发动机 短距起飞垂直降落型短距起飞垂直降落型罗罗升力系统罗罗升力系统+P&W+P&W F135F135发动机（发动机（短距起飞垂直降落型）短距起飞垂直降落型）为洛克希德马丁公司研制的为洛克希德马丁公司研制的F

22、-35F-35闪电闪电II联合攻击战斗机联合攻击战斗机提供短距起飞垂直降落能力提供短距起飞垂直降落能力F-35F-35闪电闪电II联合攻击战斗机联合攻击战斗机F-35F-35闪电闪电IIII垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机用于短距起飞垂直降落飞机的发动机用于短距起飞垂直降落飞机的发动机可转向升力喷管可转向升力喷管+ +轴驱动升力风扇轴驱动升力风扇ALLISON/ROLLS-ROYCE升力风扇升力风扇ROLLS-ROYCE滚转控制引气管滚转控制引气管P&W F119 改型发动机改型发动机发动机喷管发动机喷管 （垂直推力位置）（垂直推力位置）ROLLS-ROYCE3轴承转向喷管轴承转向喷管发

23、动机喷管发动机喷管 （水平推力位置）（水平推力位置）垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机F-35F-35闪电闪电II联合攻击战斗机联合攻击战斗机垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机F-35F-35闪电闪电II联合攻击战斗机联合攻击战斗机尾喷管技术尾喷管技术F135F135发动机的三轴承矢量喷管发动机的三轴承矢量喷管F-35F-35战斗机战斗机三类垂直三类垂直/ /短距起降飞机：短距起降飞机：英国的鹞式战斗机、俄罗斯的雅克英国的鹞式战斗机、俄罗斯的雅克-38-38、美国的、美国的F-35F-35垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机罗尔斯罗尔斯- -罗伊

24、斯公司的罗伊斯公司的 “飞马飞马”发动发动机机鹞式战斗机鹞式战斗机垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机“飞马飞马”涡轮风扇发动机结构涡轮风扇发动机结构 垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机鹞式战斗机鹞式战斗机最大垂直起飞重量最大垂直起飞重量81658165千克千克最大短距起飞重量最大短距起飞重量1043310433千克千克 垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机“鹞式鹞式”飞机垂直起飞时的姿态控制飞机垂直起飞时的姿态控制垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机图曼斯基图曼斯基 R-27V-300 R-27V-300 双转子涡轮喷气发动机双转子涡轮喷气发动机雅克雅克-38-38舰载战斗机舰载战

25、斗机垂直垂直/短距起降发动机短距起降发动机雅克雅克-38-38舰载战斗机垂直起降原理示意图舰载战斗机垂直起降原理示意图5. EJ200涡扇发动机涡扇发动机（欧洲发动机公司）（欧洲发动机公司）风扇风扇燃烧室燃烧室高压涡轮高压涡轮喷管喷管高压压气机高压压气机低压涡轮低压涡轮加力燃烧室加力燃烧室欧洲战机欧洲战机 EF2000 “台风台风”EJ200涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机（欧洲发动机公司）（欧洲发动机公司）最大加力推力最大加力推力 9 t，推重比，推重比 10，最大直径，最大直径 0.863 m，长度，长度 3.556 m，质量，质量 900 kgEJ200涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机（欧洲发动机公司）（欧洲发动机公司）风扇：风扇：3 3级轴流式，三级轴流式，三维跨音速宽弦维跨音速宽弦叶片，无进口叶片，无进口导流叶片，整导流叶片，整体叶盘结构体叶盘结构高压压气：高压压气：5 5级轴流式，可级