根據大型軍用運輸機及特種大型飛機的使用要求,在已設計定型的太行發動機核心機的基礎上,利用航空推進技術驗證計劃構建的大涵道比渦扇發動機驗證平臺,對高壓壓氣機葉片進行全三維改進設計,改善核心機性能;同時改進設計風扇/增壓級,匹配設計低壓渦輪,采用全權限數字電子控制系統,發展12000kgf推力級的渦扇發動機。該發動機主要技術指標與正在服役的CFM56發動機相當,與現役俄制D-30KP發動機相比明顯提高,在同等條件下,將使大型軍用運輸機航程增加10%以上,具有壹定的先進性,可滿足我國大型軍用運輸機對動力裝置的需求。
民用大涵道比渦扇發動機總體方案
突破關鍵技術,提高自主研發能力。以14噸推力級的下壹代先進民用大涵道比渦扇發動機為背景,通過預先研究和國際合作,完成部件、系統、核心機和驗證機的設計、加工和試驗,突破民用大涵道比渦扇發動機關鍵技術,基本具備自主研發能力。在驗證機的基礎上,根據市場和飛機需求,研制出具有自主知識產權和市場競爭力的大涵道比民用渦扇發動機,滿足我國幹線客機發展對動力的需求,進入市場,逐步形成產業。
主要技術指標:起飛推力14000kgf;巡航耗油率:不大於0.56kg/(kgf.h)(H=11km、M=0.8);噪聲、有害物排放水平滿足當時的適航標準;壽命、可靠性、可維護性等綜合性能水平優於現役CFM56發動機,與其後繼機的水平相當。
大涵道比渦扇發動機關鍵技術
主要設計關鍵技術
對於軍民用大涵道比渦扇發動機而言,除環保、壽命和經濟性等指標外,其他的主要設計技術是相同的,包括總體、部件、系統、整機、仿真等,因此將其關鍵技術合並研究,主要有:
(1)大涵道比發動機總體方案設計技術(含飛發壹體化和經濟性分析);
(2)民用發動機適航技術;
(3)大涵道比風扇/增壓級設計技術;
(4)高效高級壓比壓氣機設計技術;
(5)低排放、長壽命燃燒室設計技術;
(6)高性能長壽命高、低壓渦輪設計技術;
(7)發動機短艙及反推力裝置設計技術;
(8)核心機設計技術;
(9)驗證機設計技術;
(10)整機/部件綜合數值仿真技術;
(11)大涵道比渦扇發動機數控系統設計技術;
(12)低噪聲設計技術;
(13)長壽命、高可靠性和可維護性設計技術;
(14)軸承和傳動潤滑系統設計技術;
(15)故障診斷和監控技術;
(16)渦輪主動間隙控制技術;
(17)輔助動力裝置(APU)設計技術。
材料、工藝技術
軍用大涵道比渦扇發動機主要采用現有成熟材料和工藝,但在部分關鍵零部件(如大型風扇葉片、機匣等)的制造上仍有其特殊要求,需要進行攻關。民用大涵道比渦扇發動機由於技術指標要求更高,滿足適航取證的要求也更多,需要采用更多的新材料和新工藝,才能達到設計要求。軍民用大涵道比渦扇發動機研制中需要攻關的主要材料工藝項目包括:
(1)大型寬弦風扇空心葉片(鈦合金或復合材料)制造技術;
(2)大型鈦合金中介機匣鑄造、焊接和制造技術;
(3)鈦合金整體葉盤/葉環制造及修復技術;
(4)復合材料包容環制造技術;
(5)風扇盤圓弧型榫槽加工技術;
(6)三維彎扭多聯組合渦輪導向葉片精鑄技術;
(7)定向凝固帶冠大展弦比低壓渦輪葉片精鑄技術;
(8)風扇轉子和發動機本機平衡技術;
(9)風扇機匣塗層本機加工技術;
(10)耐600℃高溫鈦合金材料工程化與制造工藝;
(11)鎳基高溫合金整體葉盤低成本制造技術;
(12)低成本燃燒室機匣整體鑄造技術;
(13)火焰筒浮動壁材料與制造技術;
(14)高壓渦輪動葉及導葉用塗層及其塗覆工藝;
(15)耐1100℃單晶渦輪葉片低成本材料、鑄造以及打孔工藝;
(16)耐1100℃渦輪導葉低成本材料、鑄造以及打孔工藝;
(17)粉末輪盤制粉、鍛造工藝以及缺陷檢測。
試驗、測試技術
大涵道比渦扇發動機與軍用小涵道比渦扇發動機相比,除了因為尺寸、流量、推力的增加,而需要對現有試驗設備和技術進行完善改進外,由於大涵道比渦扇發動機、尤其是民用大涵道比渦扇發動機,為了滿足適航條例的要求,需要進行大量的特殊的適航試驗,如吞咽試驗、包容試驗、環境試驗等。因此,在加緊建設相關的缺門試驗設備的同時,還需大涵道比渦扇發動機所需的特殊試驗技術進行研究,並發展相應的試驗方法和規範。主要包括:
(1)整機試驗與調試技術;
(2)發動機反推力試車技術;
(3)發動機投鳥試驗技術;
(4)發動機吞水、吞冰、吞砂試驗技術;
(5)發動機側風、逆風試驗技術;
(6)發動機噪聲場測量技術;
(7)風扇葉片包容試驗技術;
(8)部件和整機壽命和可靠性試驗技術。
關鍵技術解決途徑與措施建議
民用大涵道比渦扇發動機
盡快組織實施先進民用大涵道比渦扇發動機關鍵技術研究計劃,利用10年左右時間,結合國際合作,通過部件/系統/核心機/驗證機研制,突破和掌握關鍵技術,夯實技術基礎,提高自主創新能力。然後,在驗證機的基礎上進壹步研發出具有自主知識產權和當代水平的、取得適航證進入市場的民用大涵道比渦扇發動機。
關鍵技術攻關和驗證機研制
(1)發動機總體方案設計和部件設計、加工和試驗。完成發動機總體方案設計和性能分析計算、整機/部件氣動熱力性能數值仿真分析、發動機方案草圖設計和選材方案、各部件和系統的設計技術指標和參數要求;完成總體/部件/系統試驗件設計和試驗、部件強度壽命設計分析、選材和關鍵加工工藝設計、部件/系統綜合數值仿真分析、輔助動力裝置設計和試驗等。
(2)核心機和驗證機的工程設計、加工和試驗驗證。完成核心機和驗證機的工程設計和加工、核心機的地面模擬試驗、驗證機地面臺架性能調整試驗、300小時地面臺架持久試驗、高空臺巡航狀態性能模擬試驗(H=11km,M=0.8)以及部分適航性標準試驗(如噪聲、低汙染排放等)。
4.2.2 原型機研制和適航取證
在第壹階段驗證機高空臺性能達標的基礎上,針對我國幹線客機發動機的具體要求,完成原型機的研制,取得型號合格證、生產許可證和適航證。
4.3 積極開展國際合作
我國航空動力行業與世界先進水平相比,差距仍然較大,尤其在大涵道比渦扇發動機技術方面,基礎十分薄弱,缺乏技術儲備,大量關鍵技術尚未突破和掌握,沒有工程經驗,材料、工藝差距更大,試驗設備不配套,缺乏高水平的人才,短期內完全自行研發出先進大涵道比渦扇發動機有很大困難。為此,必須強化基礎、自主創新,又要改革開放、借助外力,積極開展國際合作。
同時,也應看到,國際合作發展民用航空發動機已成為當今世界的壹大潮流。為了籌措資金、技術互補、減少風險、擴大市場,即使實力超群的大國公司也在奉行合作開發的道路,表示了與我開展合作的意向。盡管仍然存在著多種矛盾和風險,但和平開放的國際環境畢竟為開展大涵道比渦扇發動機的國際合作提供了比較有利的條件。
多年的實踐證明,與俄羅斯開展技術合作,能夠學到大部分關鍵設計技術,這是與西方國家合作所做不到的,而且俄羅斯也已經表現出與我合作的強烈意願,所以在開展關鍵技術研究和驗證機研制中,重點要抓緊對俄合作的工作。同時,也通過各種方式加強與西方的已有合作,並不斷探索新的合作途徑,通過與西方的商業合作加快型號產品的開發,盡快進入國際市場。
4.4 加強材料、工藝、試驗等基礎條件建設