必须跨过的门槛！航空动力的关键技术(2)

　　通用电气的工程人员在为LEAP发动机安装CMC部件。CMC不仅耐高温性能更好，而且还让每台发动机减重18公斤。

　　这一切都需要海量的流体力学计算。除了已经普遍使用的各种台式高速电脑和工作站，中国已经成功地建造了若干世界最快的超级计算机，特别擅长复杂数值运算，在客观上已经形成良好的条件。但计算流体力学还需要先进的软件和使用经验，单元划分越细小，计算精度越高，但收敛也越困难，有很多技术诀窍。很多软件是公开市场上可以买到的，很多数值方法诀窍也并不保密，但软件使用需要丰富的经验，什么时候用什么诀窍更需要经验。

　　各家法宝

　　在材料技术上，一般认为传统耐热合金的潜力已经用尽，未来需要向陶瓷基复合材料（简称CMC）发展。陶瓷是已知材料中最耐高温的，锅炉的耐热砖就属于陶瓷类。但陶瓷易碎，在振动、高速高温气流冲刷的严苛条件下容易碎裂。CMC把陶瓷纤维与陶瓷基体结合起来，继承了陶瓷耐高温的优点，避免了易碎裂的缺点，是现代航空发动机材料方面的关键技术。通用电气已经将CMC用于LEAP发动机的制造。

　　另一方面，斯奈克玛采用碳纤维3D编织的方法，大大提高碳纤维复材构件的刚度和强度。传统碳纤维复材把平面编织的碳纤维布用基体树脂层层粘结，层与层之间的强度取决于基体树脂。3D编织组成有序的空间网格结构，然后固化，使得材料性能大幅度改善。

　　普拉特-惠特尼的法宝则是齿轮减速涡扇，现在已经应用与PW1000G系列，成为空客A320NEO、俄罗斯MC-21等新一代客机的首选。普拉特·惠特尼还在PW1000G上采用了主动叶尖间隙控制。压气机或涡轮叶片与机匣的间隙既不能太小，这样热胀冷缩不一致时急剧增加磨损，甚至摩擦升温导致起火，最坏可以导致叶片断裂；也不能太大，这样压缩到下游的高压空气会从间隙里回流，不仅漏气损失效率，还可能造成喘振。传统设计只有增加喘振裕度，承受一点效率损失，间隙按最坏情况设计。主动间隙控制的好处显而易见，问题在于如何做到。主动控制本来已经处于严苛工况的叶片长度是不可思议的，但对相应位置的机匣进行冷却处理，可以反过来利用热胀冷缩控制机匣收缩，主动控制机匣与叶尖的间隙，这正是普拉特·惠特尼的独门绝技。

　　最早的涡扇是单转子的，不分高低压压气机，也只有一个涡轮组，风扇直接连接在大轴上，与压气机相同转速。由于风扇、高低压压缩的转速要求互相牵制，单转子涡扇很快发展成双转子，高低压压气机和涡轮分开，高压部分转速更高，低压部分转速较低，风扇连接在低压轴上，与低压压气机具有相同转速。双转子的热效率大大提高，但理想低压压气机的转速还是比理想风扇更高，这也与低压涡轮的有效转速有关，涡轮转速不能太低。风扇转速更低的话，容许直径更大，效率更高，但双转子难以做到。

　　罗尔斯·罗伊斯将双转子发展为三转子，在高低压之间增加了中压级，中压涡轮驱动低压压气机，低压涡轮驱动风扇，进一步提高热效率。但双转子的轴套轴已经很复杂了，三转子的机械结构更复杂，发动机为此要付出可靠性和重量的代价。通用电气和普拉特·惠特尼坚持双转子路线，深度优化，只有罗尔斯·罗伊斯采用三转子。罗尔斯·罗伊斯的三转子不仅用于民航发动机，也用于战斗机发动机，如“狂风”的RB199。

　　三转子在实用中并没有体现出比高度优化的双转子更优秀和油耗和减噪，但风扇速度降低的好处是明摆着的。普拉特·惠特尼采用齿轮减速，用双转子的结构达到三转子的效果，甚至超过三转子的效果，因为在风扇转速较低的同时，低压涡轮可以保证较高转速，有利于涡轮的工作效率。这是民航发动机的一个飞跃。齿轮减速的概念并不复杂，上世纪70年代的加莱特TFE731就采用了齿轮减速，由于噪声低，在公务机领域特别受欢迎。但高涵道比涡扇的推力主要来自风扇，因此对齿轮减速系统的要求特别高。行星齿轮的设计倒不是最大的问题，最大的问题在于滑油系统——要在离心力的作用下保证滑油的可靠三维流动、润滑和冷却，这是一个很有挑战的计算流体力学问题。普拉特·惠特尼首先在大推力高涵道比涡扇上采用齿轮减速，这有可能成为未来民航发动机的典型技术。罗尔斯·罗伊斯也计划放弃招牌三转子技术，下一代Ultrafan系列上将采用齿轮减速。顺便提一句，普拉特·惠特尼的齿轮减速也是F-35B所用的升力风扇齿轮驱动的基本技术。

文章来源：《航空动力学报》 网址: http://www.hkdlxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1103/336.html