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欧盟大涵道比涡扇发动机技术研究计划


2007 年第 33 卷第 2 期

航空发动机

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欧盟大涵道比涡扇发动机技术研究计划
梁春华 ( 沈阳发动机设计研究所, 辽宁沈阳 110015)

1 引言
随着航空发动机技术的飞速发展、 市场竞争的 日益激烈和环保要求的不断严格, 大涵道比涡扇发 动机向着费用更低、

性能更高和环保更好的方向发 展。为此, 21世纪 , 欧盟国家更加重视大涵道比涡 扇发动机的技术研究工作 , 联合实施了高效和环境 友好的航空发动机 ( EEFAE ) 、 大幅度降低飞机噪声 对 居 民 区 的 影 响 ( SILENCE ) 、 电力优化飞机 ( POA )、 环境友好的航空发动机 ( V ITAL )、 新型航空 发动机方案 ( NE WAC ) 等预研计划 ( 如图 1 所 示 ) , 开发和验证了更先进常规循环涡扇发动机技术 , 探 索研究了先进循环涡扇发动机技术, 以为未来大涵 道比涡扇发动机的研制打下坚实的技术基础。

动机部件验证 ( CLEAN )计划。 ANTLE 计划的目的是开发和 验证降低污染和 噪声、 改善热力 /推 进 /部 件效率以及减轻质量的核 心机技术。其具 体目标是 : CO2 排放降低 12 %; 燃 油消耗降低 12 % ; NOx 排放较 ICAN CAEP / 96 的降 低 60 % ; CO 排放较 ICAN CAEP / 96的降低 10 %; 拥 有费用减少 20 % ; 可靠性提高 60 % ; 研制时间缩短 50 % ; 寿 命 期 费 用 减 少 30 %。该 发 动 机 以 TRENT500 发动机为基础, 双环形贫油分级燃烧室、 少叶片数的高温对转高压涡轮和分布式发动机控制 系统全新设计 , 高压压气机、 中压 /低压涡轮、 涡轮后 框架、 润滑系统改进设计。其中, 整个发动机的研制 由 RR 公司总负责 , 高压压气机、 中压涡轮、 低压涡 轮分别由 RRD、 FI AT、ITP 公司负责。预 计, ANTLE 计划验证的技术在 2008年左右投入使用。 CLEAN 计划目的是验证未来齿轮驱动涡扇发 动机和间冷回热航空发动机 ( IRA ) 概念所需的核心 技术。 CLEAN 计划验证机的特点是采用热交换器 回收低压涡轮的排气中的热量用于发动机循环, 减 少发动机 燃油消耗量 和 CO2 的排放。其具体 目标 是: CO2 排放降低 20 % ; 燃油消耗量降低 20 % ; NOx 排放 较 ICAN CAEP / 96 的降 低 80% ; CO 排 放 较

图 1 欧盟大涵道比涡扇发动机技术研究 计划

ICAN CAEP /96的降低 15% ~ 20 % ; 拥有费用减少 30 % ; 可靠性提高 60 % ; 研制时间缩短 50 % ; 寿命期 费用减少 30 % 。整机验证由 SNEC MA 和 MTU 公司 共同 领 导, 由来 自 9 个 国 家 的 19 家 公 司 参 与。 SNECMA、 F IAT 等公司以目前的高压叶轮机为基础 研制核心 机, MTU 公司研 制高速 低压系 统和 换热 器, VOLVE 等公司研制低压涡轮机匣和涡轮排气机 匣。 CLEAN 验证发动机部件已经于 2003 年开始试 验, 预计 2015 年进行首次飞行, 2020 年以后可能投 入商业使用。 2 . 2 SILENCE ( R )计划 2001 年启动的 SILENCE ( R ) 计划是降 低飞机

2 计划综述
2 . 1 EEFAE 计划 EEFAE 计划是欧盟 2000 年启动的欧洲有史以 来最大的航空发动机技术研究计划。其参研机构包 括 15家公司 和 2 所大学 , 总投资为 1 . 01 亿欧元。 其总目标是开发下一代宽体和窄体飞机的高效且环 保的航空发动机技术, 大大降低污染排放和明显提 高技术竞争力。该计划分为经济可承受的近期低污 染发动机 ( ANTLE ) 计划和中远期的环保型航空发

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航空发动机

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噪声的研究计划。它由 SNACMA 公司领导, 由欧盟 14 个国家包括 RR、 MTU 公司在内的 51 家飞机、 航 空发动机和短舱设计与制造商参加 , 总经费 1 . 1亿 欧元。 该计划的总目标是到 2008 年通过开发低压系 统和核心机技术使飞机噪声降低 6dB; 具体目标是 : 对 1998 年欧盟国家的降低噪声计划发展的技术进 行全尺寸验证; 以成本最低、 质量增加最小或对性能 影响最小为前提 , 用于欧洲现有和未来飞机的适用 性进行评估 ; 确定达到噪声降低目标。其开发和验 证的技术包括低噪声风扇 /低压涡轮、 新型进气道、 新颖的进气道衬套、 涵道和热气流衬套、 喷管喷气噪 声抑制器、 主动控制技术和机体降低噪声技术等。 2 . 3 POA 计划 POA 计划是欧盟于 2002~ 2005 年投资并实施 的多电飞机计划。该计划由 43 家实验室和公司参 与 , 重点 研 究多 电 飞机 技 术, 具 体开 发和 验 证在 A330级飞机上应用的电力系统、 能量管理优化技术 和革新的结构。其中, RR 和 SNECMA 等公司主要 开发和验证多电发动机技术, 如图 3 所示。

公司负责的齿轮驱动涡扇发动机方案。 VI TAL 计划包括 7 个主要的技术项目, 每个项 目又由不同的合作伙伴负责 , 所有项目由 SNECMA 公司总协调。其中 , 整机具体包括总体规范的制定, 项目的评估与协调, 技术、 经济和环境的风险分析; 风扇单元体包括规范的制定和项目的评估与协调, 轻质材料的研制和部件的机械设计, DDTF 的气动 声学设计、 制造 与试验, CRTF 的 气动声学设计、 制 造与试验 , 验证轻质方案的台架试验和全尺寸试验; 低压压气机单元体包括规范的制定和项目的评估与 协调 , 先进气动技术的开发, 轻质材料的开发和部件 材料的设计, CRTF /DDT F 增压级气动机械设计、 制 造、 试验与分析 , GTF 增压级气动机械设计、 制造、 试 验与分析 ; 结构包括规范的制定和项目的评估与协 调, 低温复合材料结构的开发 , 钛合金结构部件的加 工, 先进热端部件结构的开发 , 发动机机械评估和优 化; 低压轴包 括规范的制定和 项目的评估与协 调, MMC 轴的开发 , 金属轴的开发; 低压涡轮单元体包 括规范的制定和项目的评估与协调 , 轻质涡轮的设 计与技术验证 , 降低噪声技术的验证, 技术一体化; 发动机安装包括规范的制定和项目的评估与协调, 气动声学喷管的优化 , 轻质反推力器和可调喷管的 开发 , 动力系统的评估。 2 . 5 NEWAC 计划 NEWAC 计划是欧盟在第 6 框架下启动的更具 挑战性的预研 计划。其目的 是开发革新核 心机方 案, 提高发动机热效率 , 进而降低 CO2 和 NOx 排放 量。为此 , 该计划主要进行以下研究: ( 1) 开发紧凑且高效的间冷器、 轻质且低压力 损失的涵道、 与间冷器一体化时瞬态性能得到改善 的压气机、 高总压比且低压力损失的轻质高压压气 机等技术 , 研究高总压比间冷航空发动机; ( 2) 开发先进结构回热器、 轻质且低压力损失 的革新涵道、 革新的型面管回热器、 轻质小型附件, 研究间冷回热循环航空发动机; ( 3) 开发紧凑且高效的冷却空气作介质的微型 回热器、 主动间隙控制系统、 热管理系统和高可操作 性的核心机等技术 , 研究主动热管理核心机 ; ( 4) 开发和验证吹吸式涵道、 吹吸式静子 /转子 叶片、 机匣处理、 低排放燃烧室等革新的核心机单元 体, 为革新发动机方案提供技术保障; ( 5) 开发和验证革新解法、 先进循环、 先进计算 方法、 先进试验技术等基础技术。 ( 下转第 48 页 )

图 3 POA 计划验证的多电发动机技术

2 . 4 V ITAL计划 V ITAL 计划是欧盟以 EEFAE 和 SILENCE ( R ) 计划开发和验证的技术成果为基础在第 6 框架下实 施的更具挑战性 的计划。该计划总投资额为 9050 欧元, 由 SNECMA 公司领导 , 由来自欧洲 9 个国家 的 53家使用伙伴参与。其目标是通过开发和验证 先进发动 机部件 技术 , 使未 来航 空发 动机相 对于 2000年技术水平的发动机噪声降低 6dB, CO 2 的排 放降 低 7 % , NOx 排 放 较 ICAN CAEP / 96 的降 低 60% ~ 80 % , 燃油消耗率降低 20 %。V I TAL 计划开 发的技术将在 3 种发动机方案中验证: 1) SNECMA 公司负责的对转涡扇发动机 ( CRTF ) 方案 ; 2) RR 公 司负责的直接驱动涡扇发动机 ( DDTF )方案和 MTU

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航空发动机 表 1 回顾性检验结果 ( 定检加力状态样本数据 )

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序号 7 8 9 10 11 12 13 7 8 9 10 11 12 13

T

* 1

T

* 4

N1 (% ) 96. 0 97. 0 95. 0 94. 5 95. 0 96. 0 96. 0 84. 0 99. 5 92. 0 89. 5 96. 0 72. 0 82. 0

N2 (% ) 99. 5 99. 5 100 . 0 99. 5 99. 0 99. 0 99. 0 86. 5 102 . 0 87. 0 87. 5 99. 0 73. 0 87. 0

A1 ( b) 102 104 100 92 92 90 92 91 88 64 72 88 80 52

A2 (b) 109 110 107 100 110 108 108 110 110 110 103 108 100 69

(e ) 6 0 24 40 30 25 5 6 24 0 40 30 25 5

(e ) 740 740 735 740 740 740 740 750 690 690 730 690 690 600

UPC 82 80 82 82 82 82 81 76 89 93 89 84 83 53

PM 2. 60 2. 56 2. 40 2. 56 2. 56 2. 60 2. 60 2. 60 2. 40 2. 56 3. 56 2. 56 2. 60 2. 60

B 22 30 30 20 25 25 25 50 32 21 25 10 22 22

模型输出 结果 - 3. 310e- 011 1. 254e- 011 7. 765e- 012 3. 077e- 011 3. 707e- 011 - 7. 780e- 012 2. 440e- 011 1 1 1 1 1 1 1

表 2 检验样本检验结果 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 T
* 1

T

* 4

N1 (% ) 92. 21 93. 38 92. 21 92. 21 92. 70 92. 40 92. 02 92. 89 98. 50 98. 20 95. 70

N2 (% ) 97 . 21 97 . 97 96 . 89 96 . 78 97 . 75 97 . 64 97 . 43 96 . 89 100 . 30 100 . 10 97 . 80

A1 ( b) 100. 00 101. 40 98. 82 94. 71 104. 00 100. 00 98. 82 104. 67 96. 76 94. 89 92. 76

A2 ( b) 106. 50 112. 70 106. 50 107. 00 106. 50 106. 50 106. 50 107. 50 97 . 45 85 . 96 95 . 47

(e ) 1 . 3333 2 . 6667 4 . 0000 9 . 3333 - 3. 5290 - 1. 1760 2 . 6667 - 2. 3530 5 . 0000 10 . 0000 16 . 0000

(e ) 680 682 680 680 680 680 680 680 760 750 770

UPC 87. 692 67. 800 69. 286 86. 154 86. 154 86. 200 86. 154 85. 385 82. 300 81. 600 70. 300

PM 2. 5417 2. 6071 2. 5417 2. 5833 2. 5625 2. 5417 2. 5833 2. 7083 2. 6700 2. 8600 2. 7200

B 27. 895 18. 500 28. 421 26. 842 26. 842 26. 316 25. 789 27. 368 18 17 18

模型输出 结果 1. 51 e - 4 3 . 30e- 11 3 . 30e- 11 9. 10e- 5 4. 10e- 9 6. 44e- 8 1. 01e- 7 1. 08e- 8 1 1 1

参考文献
1 王科俊 , 王克成 . 神经网络建 模、 预报与 控制 . 哈尔滨 : 哈 尔滨工业大学出版社 , 1996. 2 闻新 , 等 . M ATLA B 神经 网络 应用 设 计 . 北京 : 科 学 出版 社 , 2001. 3 谢寿生 . 某型飞机发动机故障 诊断与性 能趋势监控 研究 : =博士学位论文 >. 西安 : 西 北工业大学 , 1998.

4 胡金海 . 发动机性 能监控 与故 障诊断 系统 研究 : =硕士学 位论文 >. 西安 : 空军工程大学 , 2003. 5 范作民 , 等 . K ohonen 网络在发动机故障诊断中的应 用 . 航 空动力学报 , 2000, ( 1). 6 陈恬 , 等 . 自组织神经网络航 空发动 机气路 故障诊 断 . 航 空学报 , 2003, ( 1). 7 蒋东翔 , 等 . 模糊自组织神经网络在 航空发动机 故障诊断 中的应用 . 航空动力学报 , 2001 , ( 1).

( 上接第 58页 )

到 TRENT 1000 等未来 5 年研制的大涵道比涡扇发动 机中; EEFAE、SILENCE、 POA 等计划 验证的技 术将 应用到未来 10年研制的大涵道比涡扇发动机上; 而 V ITAL、 NEWAC 等计划验证的技术将应用到未来 15 ~ 20 年研制的大涵道比涡扇发动机上。

3 结束语
随着欧盟大涵道比涡扇发动机技术预研计划开 发技术的验证和成熟, 预期 : 近期验证的技术将应用


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