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越来越清洁的喷气发动机

 

  法国科技新闻处

  在动力推进器领域,高技术性能已经不是唯一的追求。最近十五年以来的研究努力主要集中在如何设计出清洁、简单和经济的喷气发动机。

  由于空气动力学方面的限制,现有的一些发动机系列从速度上已经不可能再有大幅度的提高。因此,技术革新已经不在于提出全新的设想,而是在一些已知的应用领域完善发动机的性能。现在的发动机制造厂商从一开始便注重开发具有模块化结构的发动机,这样的发动机结构简单,能够根据技术的发展而逐步完善,能够采用技术革新的成果,满足新的要求。

  法国航空发动机制造厂商斯奈克玛发动机制造公司(Snecma Moteurs)和通用电器公司(General Electric)共同成立了一家名为“CFM国际公司”的合资公司,以制造CFM 56型发动机。这种发动机用于装备推力达18500镑到34000镑的飞机。斯奈克玛发动机公司负责研制发动机的低压部分,附件箱以及与声学有关的研究工作;通用电器公司负责研制发电机部分。CFM国际公司的市场负责人皮埃尔·布莱(Pierre Bry)解释说:“如今,发动机制造厂商所关心的,已经不仅仅是开发能够满足一定的经济和技术性能要求的发动机,他们的产品还要满足越来越严格的环境标准的要求(比如污染排放和噪音损害方面的标准)。

  二十年以来,我们把发动机的噪声减少了20 EPNdB。EPNdB是‘用分贝表示的实际可以感知的噪声’(Effective Perceived Noise in decibel),是声学鉴定时采用的一种测量单位。按照现行规定第三章的要求,噪声大的飞机已经不得不退出使用;2006年将实施的第四章规定,发动机的噪声必须达到10 EPNdB,这将成为硬性的标准。同时,我们还要注意二氧化氮、一氧化碳、挥发性有机合成物和烟气的排放。”

  斯奈克玛发动机制造公司开发的发动机,燃料消耗比其它厂商的产品少百分之二十。在CFM 56型发动机中引进了具有革命性的燃烧系统(一种双头式的燃烧室),可以把二氧化氮的排放减少百分之四十。该公司目前正在进一步改进这一技术,以使它更加简单,价格更低廉。

  “我们正在研究先进的燃料喷射系统,以改善燃烧。由于在冶金领域和涡轮叶片冷却技术上的进步,燃烧室出口处的燃气温度已经从不到1000°C提高到了大约2000°C,因此而使发动机的性能更优越。”但是温度的提高对材料的性能并非没有影响,制造发动机使用的材料要具有更大的机械强度,对腐蚀和蠕动变形有更大的耐受能力。因此,材料的研究受到格外的重视,而且材料对飞机的重量有着直接的影响,因此也就影响着燃料的消耗(燃料消耗占运营费用的百分之三十)。

  到目前为止,斯奈克玛发动机制造公司使用的都是以镍、铬和钼或钛为基础的特种合金钢材。但公司现在开始关注以金属为主要组成成份的复合材料(用碳纤维、硼纤维、二氧化硅纤维加强的金属合金)。公司采用铝制造发动机的外壳。其它的材料也在研究,比如镁。

  轴承是承受着重大应力的元件(冲击,转弯时的负荷因数,改变方向时的回转效应),如果发生断裂,会引发重大损害。“我们正在致力于开发轴间轴承,以使发动机的两个物体朝两个相反的方向转动(高压轴和低压轴),以优化高压和低压涡轮之间的空气动力学接口,改善传动效率。”

  在空气动力学方面还有其它的改进。最近在A340-300上投入使用的CFM 56最新款的发动机65 C/P上采用了箭形空心三维金属涡轮叶片。

  涡轮叶片的空气动力学性能进一步改善,低压空气压缩机机壳(booster)上设置了沟槽,这样一来,将来可以考虑取消排气阀门。空气压缩机上的排气阀是非常复杂的装置,造价昂贵,它的作用只是保证发动机的稳定性。最后,未来的发动机通过优化空气动力学性能,可以大大减少涡轮机叶片的数量,维护费用因此可以大幅度地减少。

  四引擎飞机将装备重达560吨的A 380喷气式飞机。为研制这种发动机,大西洋两岸共同合作,开始了GP 7200发动机的研究计划。这种发动机本来是为装备波音 747 X型飞机而设计的,但由于最终采用了Sonic cruiser发动机而被搁置了下来。斯奈克玛公司的子公司Techspace aero在这项计划中主要负责开发高压和低压空气压缩机器件,研制出9级的高压空气压缩机,为了减轻重量,减少维护费用,空气压缩机的叶轮是做在机体上的。几级的叶片经过改善,以使机体更加平衡。

  在跨声速领域,发动机制造厂商的前景十分有限。倒是在超音速领域有可能发生革命性的变化,问题是要制造出具有高性能和经济的发动机。但在采用涡轮螺桨推进器的飞机上,则有可能很快会发生一些变化。这种推进器上装备的所谓“跨音速”高速螺旋桨发动机(Propfans),与一般发动机的性能相近,但燃料消耗减少百分之二十左右。 附件1 斯奈克玛公司为地区航线飞机带来革新地区航线飞机在未来二十年的市场需求量大约为8000架。为了能在这一市场上扎下根,斯奈克玛发动机制造公司专门开发了一款名为DEM 21的新一代高压发动机,其功率的设计就是为了满足地区航线飞机的推力要求。这是斯奈克玛发动机制造公司单独为这类飞机生产的第一款高压发动机。这款涡轮发动机是经过两年半的研究制成的,八月份刚刚经过初试。

  DEM 21的结构由一台六级高压空气压缩机,一个单头燃烧室和一个单级高压涡轮组成。DEM 21的研制包括好几个研究和开发项目,其主要的成果包括开发成功了能够承爱2000 °C高温的涡轮叶片。喷气发动机的结构独特,有意减少了各部件之间的联系,以简化维护,提高寿命。叶片用陶瓷制成,在叶背上配有热屏,在整个叶片上开了一些漏斗形的孔洞,便于冷却空气的扩散。附件2 专门生产污染治理设备的Sofrance公司Sofrance公司是Labinal公司下属的一家子公司,而Labinal公司已纳入斯奈克玛发动机制造公司的麾下。Sofrance公司专门设计和生产各种工业领域(航空、航天、国防)使用的滤清器,用于对空气、水、润滑油和燃料油进行过滤。公司的商务经理让-巴迪斯特·雅兰(Jean-Baptiste Jarin)解释说:“机械器件会产生一些污染颗粒。我们的工作就是提出一些技术解决方案,制造出有关设备,以控制某一回路中污染物的数量和颗粒大小。流体中的异物可以有不同的来源,比如颗粒(金属,灰尘,纤维,碳化物),液体(水,溶剂),气体(空气和蒸气)。为了防治污染,我们采用两种技术,用过滤技术处理颗粒物,用分离技术处理液体和气体。”

  过滤系统的工程设计专家依靠经验反馈来改善过滤性能。“从产品的设计开始,我们便注意让开发的技术考虑环境的要求,并具有一定的特点,比如重量轻,寿命长,造价低等等。”最近几年,公司在发动机用过滤橡胶方面便实现了多次技术突破。“我们的想法是让过滤器能够回收再生利用,但过滤器的组成材料全部是玻璃纤维(滤纸)、铝和钢材(过滤器的管路和架构),所以无法焚烧。因此我们用合成材料代替了玻璃纤维,逐步用复合材料(carbone expoxide)代替铝。”复合材料除了机械强度高之外,还有重量轻,性能好的优点。

  用合成材料作滤芯的过滤器预计将于2003年第一次进行飞行测试阶段。目前,企业正在致力于提高过滤器的使用寿命。公司商务经理最后归结说:“过滤器的平均使用寿命为每年四百五十万公里,也就是说每年必须至少更换两次。我们正在制定一些方案,以改善其寿命。”

 

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