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那些使用了先进陶瓷基复合材料的著名航空发动机

2017-09-12 10:29:07
作者:本网整理
来源:材料十

提起发动机,小编最熟悉的莫过于我国歼-20的WS-15,美国的F-35战机搭载的F135发动机和F-22搭载的F119发动机。作为目前发动机热端部件最有潜力的材料,小编还想当然的以为它们都使用了这个先进的材料,结果是很惊喜的我们的WS-15使用了这项新材料,F119也有资料显示使用使用了这个技术,但是作为F119的升级版F135却没有资料显示,所以小编也不下定论,因为毕竟这些发动机的资料是保密的。所以根据公开资料,小编整理了使用CMC材料的发动机!

    提起发动机,小编最熟悉的莫过于我国歼-20的WS-15,美国的F-35战机搭载的F135发动机和F-22搭载的F119发动机。作为目前发动机热端部件最有潜力的材料,小编还想当然的以为它们都使用了这个先进的材料,结果是很惊喜的我们的WS-15使用了这项新材料,F119也有资料显示使用使用了这个技术,但是作为F119的升级版F135却没有资料显示,所以小编也不下定论,因为毕竟这些发动机的资料是保密的。所以根据公开资料,小编整理了使用CMC材料的发动机!


 

    01 WS-15涡扇发动机 国家:中国


    WS-15全称涡扇15“峨眉” 涡扇发动机,是为我国第四代重型/中型战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机。WS-15主要用于双发重型隐身战斗机歼-20。WS-15由606所、624所、614所、410厂、430厂和113厂等单位专家组织研制。“峨眉”航空发动机的技术验证机在2006年5月首次台架运转试车成功。这标志着我国在自主研制航空发动机的道路上又实现了历史性跨越,在研制我国第四代中型战斗机的征程上迈出了坚实的一步。2011年中航黎明完成了ws-15验证机的交付。保节点是2020年完成研制。


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    WS-15涡扇发动机模型


    WS-15全称涡扇15“峨眉” 涡扇发动机,是为我国第四代重型/中型战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机。由606所、624所、614所、410厂、430厂和113厂等单位专家组织研制。“峨眉”航空发动机的技术验证机在2006年5月首次台架运转试车成功。


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    歼20战机未来将配备涡扇15发动机


    这标志着我国在自主研制航空发动机的道路上又实现了历史性跨越,在研制我国第四代中型战斗机的征程上迈出了坚实的重大一步。2007年3月原形机首次台架运转试车成功,预计2013年3月发动机完成设计定型试验,2014年7月生产型发动机定型。


    按照飞机任务要求,“峨眉”航空发动机在循环参数选择上采用较高的涡轮进口温度、中等总增压比和比较低的涵道比。采用的新技术主要有损伤容限和高效率的宽弦叶片、三维粘性叶轮机设计方法、整体叶盘结构的风扇和压气机、单晶气冷涡轮叶片、粉末冶金涡轮盘、刷式封严、树脂基复合材料外涵机匣、整体式加力燃烧室设计。发动机由10个单元体组成。其中,尾喷管采用全程可调收敛、扩张式三元矢量喷管—在俯仰方向可作±25°偏转。从+25°到-25°的行程中只需1.5秒钟。用于调整飞机俯仰飞行姿态。装有先进的陶瓷基复合材料的尾喷管调节片。


   02 F119涡扇发动机 国家:美国


    F119是普·惠公司为美国第四代战斗机研制的先进双转子加力式涡轮风扇发动机,其设计目标是:不加力超音速巡航能力、非常规机动和短距起落能力、隐身能力(即低的红外和雷达信号特征)、寿命期费用降低至少25%、零件数量减少40~60%、推重比提高20%、耐久性提高两倍、零件寿命延长50%。在80年代初确定的循环参数范围是:涵道比0.2~0.3;总增压比23~27;涡轮进口温度1577~1677℃(1850K~1950K);节流比1.10~1.15。


    在F119上采用的新技术主要有:三维粘性叶轮机设计方法、整体叶盘结构、高紊流度强旋流主燃烧室头部、浮壁燃烧室结构、高低压涡轮转向相反、整体式加力燃烧室设计、二元矢量喷管和第三代双余度FADEC。此外,还采用了耐温1070~1100℃的第三代单晶涡轮叶片材料、双性能热处理涡轮盘、阻燃钛合金Alloy C、高温树脂基材料外涵机匣以及用陶瓷基复合材料或碳-碳材料的一些静止结构。


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    美制F119涡扇发动机


    在研制中,注意了性能与可靠性、耐久性和维修性之间的恰当平衡。与F100-PW-220相比,F119的外场可更换件拆卸率、返修率、提前换发率、维修工时、平均维修间隔时间和空中停车率分别改进50%、74%、33%、63%、62%和29%。新的四阶段研制程序和综合产品研制方法保证发动机研制结束时即具有良好的可靠性、耐久性和维修性并能顺利转入批量生产。


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    F119发动机主要装备F22


    03 M88涡扇发动机 国家:法国


    M88-2发动机的结构为风扇3级,第一级带凸肩。高压压气机6级,采用三维设计技术,前3排整流叶片可调,在第4和第5级之间设引气口,高级负荷。相比基于类似核心设计的F404发动机,M88-2少一级高压压气机,其总压比为24.5,F404则为26,同样改进自F404的RM12也达到了27.5。由此可以看出,因为M88-2少一级高压压气机给总压比带来了不利影响,不过级数减少也能部分减轻结构重量和几何长度,适当缩小载机的发动机舱轮廓。


    M88-2风扇压大约在4以内,高于F404的3.641;而高压压气机压比则为6.125,低于F404的7.14。级压比方面,M88-2为1.35,只略高于F404的1.324,更加低于RMl2。考虑到M88与F404的高压段有很大的继承性,两者性能参数上的差异表明法国在压气机设计上仍然有所不足。


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    M88涡扇发动机进行展示


    相比之下,F414发动机采用3级风扇、7级高压,达到30以上的总压比。EJ200发动机的总压比为26,虽然不算太高,但只用了3级风扇、5级高压结构,比同样总压比的F404减少了2级。


    燃烧室采用了低污染的双环腔带多孔气膜冷却结构,与通用动力公司同系列产品的结构与特点类似。目前,苏霍伊SSJl00支线客机已确定以M88核心机为基础,发展SAM-146大涵道中等推力发动机。M88-2燃烧室上构造的特点,显示了它身上有着无可否认的F101发动机血统。


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    M88发动机已装备阵风战斗机


    涡轮部分高低压涡轮均为单级结构,都使用气膜冷却,高压涡轮叶片具备主动间隙控制,叶片材料使用AMl单晶合金。由于采用了高温高负荷设计,其涡轮进口温度高达1850K。


    涡轮盘采用粉末冶金制造工艺,轮盘材料试验型为Astroloy粉末冶金,生产型为N18合金。加力燃烧室为整体式,由中心单圈环形稳定器和9根径向火焰稳定器组成。尾喷管为引射式,喉部面积和引射喷口面积均可调,喷口调节片用碳化硅基陶瓷材料制造。发动机采用双余度全权限数字化发动机控制系统(FADEC),可在3秒内从怠速加速到全加力状态,在飞行包线范围内无顾虑操作。外涵机匣则采用树脂基复合材料PMR-15制造。


    全机分为21个模块设计,每个模块都能由简单工具拆装更换,达到减少备件数量、快速更换、简化维修程序和时间的目的,整机拆卸及维修总共只需4小时。


    04 F414涡轮发动机 国家:美国


    F414的核心机设计来自通用电气的F412非加力涡扇发动机,而这种发动机是为麦道/通用动力A-12“复仇者II”舰载隐身攻击机研制的。“复仇者II”在1988年赢得了美国海军先进战术飞机(ATA)的竞标,通用电气为该机开始研制派生自F404的F412。


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    F414正面的进口导向叶片


    虽然F404和F414的风扇最大直径都是889毫米,但F414的三级风扇采用了更先进的叶片气动设计。


    F414风扇的第二第三级是连成一体的转子结构(也就是叶盘),成为一个单独部件。这样就使F414每级风扇的盘毂直径都能小于F404,这意味着在风扇直径相同的情况下,F414每级风扇的叶片都比F404长,增加了风扇的等效面积。再加上叶片的气动改进,结果就是F414基本型的最大空气流量从F404的64.41千克/秒提高到了77.11千克/秒。F414风扇的第一级叶片可拆换,带有中间凸台。


    与F404相比,F414的燃烧室在空气动力学和材料上都有所改进。其贯流式环形燃烧室采用雾化燃料喷嘴,多孔冷却结构火焰筒不仅提高了使用寿命,还降低了重量,据报道上面有30000个激光钻孔来降低侧壁温度。


    目前在产F414的尾喷管二级封严片是用陶瓷基复合材料(CMC)制造的。根据通用电气的说法,F414先后采用过两种陶瓷基复合材料来制造二级封严片,首先是碳化硅/碳(SiC/C),也就是陶瓷级碳化硅纤维增强的碳基材;然后是氧化物/氧化物(Ox/Ox),也就是使用氧化铝-莫来石陶瓷纤维增强的氧化铝-氧化硅基材。2011年生产的F414开始安装Ox/Ox材料制造的封严片。


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    现有F414的CMC封严片有两种,一种是这种全白的,应该是Ox-Ox材料

 

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    另一种是这种带白点的,应该是SiC-C材料


    05 美国预研的典型第6 代战斗机发动机


    目前,美国预研的典型第6 代战斗机发动机包括以GE 公司的自适应循环发动机(简称ADVENT)和PW 公司的PW9000 发动机。


    GE 公司的自适应循环发动机采用了“3 流道”技术,即在传统涡扇发动机的核心机流道和外涵道流道的基础上增加由自适应风扇产生的第3 个外流道,如图1 所示。它在COPE 布局上又增加了1 个“Flade(fan-on-blade接在转子叶片上的风扇)”级,即在发动机外围又增设第3 个外流道。第3 外流道被关闭,可增大起飞和超声速阶段的推力;被打开,能降低巡航和留空时的耗油率。这种设计能保证发动机在低速和高速巡航时都保持较高的效率。第3外流道相对凉爽的空气可用于冷却热端部件,减少红外特征信号;被注入核心机或加力燃烧室,可以增大推力。


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    GE 公司“3流道”涡扇发动机


    除了第三涵道,先进的陶瓷基复合材料也是自适应发动机的亮点。发动机热端部件的工作条件极其严苛,传统上使用高温合金。但现代发动机的工作温度越来越高,早已超过现有高温合金的熔点,靠冷却技术也难以进一步提高发动机的工作温度。陶瓷的耐高温能力超过高温合金,但陶瓷的脆性和容易在剧烈温度变化条件下碎裂的问题长期成为陶瓷的工程应用的拦路虎。陶瓷基复合材料把陶瓷纤维(也可以用碳纤维)和陶瓷基体整合成一体,保留了陶瓷耐高温的特性,同时具有很高的机械强度和抗热裂性,在尖端应用中逐渐崭露头角。ADVENT采用陶瓷基复合材料低压涡轮和高压涡轮前缘,AETD上陶瓷基复合材料的应用进一步扩大。据通用电气声称,陶瓷基复合材料涡轮叶片甚至可以不需要冷却,为大幅度提高发动机热工性能提供了空间。陶瓷基复合材料叶片也比镍基合金轻2/3。在ADVENT上,陶瓷基复合材料的高压涡轮前缘达到1648摄氏度。


    PW 公司的PW9000发动机是以F135 和“静洁动力”PW1000 发动机为基础,采用变循环发动机和自适应风扇技术,如图所示。


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    PW9000发动机


    为了提高热力机械负荷,将引入以下先进材料:(1)采用耐704 ℃以上的压气机轮盘材料,打破最大压缩比为50的限制值;(2 ) 采用先进的钴基合金、陶瓷、陶瓷基复合材料或更好的热障涂层技术,消除对热端部件温度的限制;(3 ) 采用先进的隐身材料与方法,提高隐身能力;(4 )采用轻质和多功能材料,大大减轻发动机质量。


    除此之外,在一些民航客机上都已经成功使用了碳陶复合材料热端部件。随着技术的不断进步发展,碳陶复合材料热端部件的应用前景将十分广阔。

 

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责任编辑:王元


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标签: 航空, 发动机, 陶瓷基复合材料

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