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揭秘航空發動機:燃氣發生器及核心機的用途

揭秘航空發動機:燃氣發生器及核心機的用途

文/陳光

在燃氣渦輪發動機中有—個很重要的部分-燃氣發生器。

顧名思義,燃氣發生器是產生具有一定溫度(高溫)及一定壓強(高壓)的燃氣的裝置,它所產生的燃氣具有很高的可用能量,這是因為高溫具有很高的熱能,高壓具有很高的位能(或稱勢能)。

具有很高能量的高溫高壓燃氣進一步膨脹就可以對外作功。如果燃氣在尾噴管中膨脹,熱能、位能轉變成動能,加速燃氣,使燃以很高的速度(550m/s以上)向後噴出,產生反作用推力,就成為渦輪噴氣發動機。

如果燃氣在燃氣發生器后的渦輪(—般稱動力渦輪或低壓渦輪)中膨脹作功,輸出軸功率,通過減速器帶動螺旋槳就成為渦輪螺槳發動機,帶動直升機旋翼就成為渦輪軸發動機;

如果動力渦輪輸出的功率帶動燃氣發生器前的風扇就成為渦輪風扇發動機。如果動力渦輪輸出的功率帶動發電機或油泵等則可以成為地面電站或泵站的動力(工業用燃氣輪機),帶動艦船的螺旋槳就成船用燃機,這也是為什麼用於上天的飛機動力能改型成非航空領域中使用的燃氣輪機即航改燃機的原因。因此,燃氣發生器是各類燃氣輪機的主要部分。

它包括了壓氣機、燃燒室和帶動壓氣機的那一部分渦輪。雙轉子燃氣渦輪發動機的燃氣發生器部分還應該包括低壓轉子中的低壓壓氣機和帶動低壓壓氣機的那一部分低壓渦輪。

核心機

人們習慣將燃氣渦輪發動機的高壓轉子部分稱為核心機,在單轉子發動機中,核心機就是燃氣發生器。但是在雙轉子燃氣渦輪發動機中的核心機並不是它的燃氣發生器,雙轉子燃氣輪發動機的燃氣發生器部分還應該包括低壓轉子中的低壓壓氣機和帶動低壓壓氣機的那一部分低壓渦輪。

因此,核心機與燃氣發生器是二個不同的概念。但在本章中,為了論述方便,均以單轉子燃氣渦輪發動機為例講述燃氣發生器,因此,核心機就是燃氣發生器。

圖8-1、燃氣渦輪發動機的核心機

圖8-1示出了一種典型的核心機結構,它由壓氣機、燃燒室、渦輪以及支承壓氣機-渦輪轉子的前、后軸承等組成。

8.3 核心機的用途

在航空發動機研製中,將應用研究中和探索發展中得到的具有先進性能的高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪三個部件組合起來,並應用先進技術配以轉子支承結構、潤滑系統、進排氣裝置等組成核心機。

用它在真實發動機工作環境下評估部件性能、部件間的匹配、總體技術性能等,能減少工程發展時的技術風險,縮短工程發展的周期,降低成本等。在核心機的基礎上經必要的修改後,配上從其他研究計劃得到的風扇、低壓渦輪、加力燃燒室、控制系統和傳動系統等,就可以以低的風險研製出覆蓋一定推力(功率)範圍,滿足不同用途的一系列發動機。

例如,普·惠公司在它的己取得成功的XTC67「先進渦輪發動機燃氣發生器(ATEGG)」基礎上,裝上在用新技術發展的先逃風扇、低壓渦輪和加力燃燒室等低壓部件技術組成了XTE67第三階段 「聯合技術驗證發動機(JTDE)」,進行驗證性的試車。

該技術驗證發動機(圖8-2)是為了驗證「綜合高性能渦輪發動機技術IHPTET」計劃第三階段的目標,給為F-35聯合攻擊機所用的F135發動機提供更大的工作裕度、更高的安全性和未來能力的增長。

圖8-2、普·惠公司採用XTC67先進渦輪發動機燃氣發生器驗證先進低壓部件的XTE67聯合技術驗證發動機

同樣,通用電氣公司/愛立生公司也有一台用於驗證為F-35備用發動機F136用的先進風扇、低壓渦輪及加力燃燒室技術的XTE77第三階段「聯合技術驗證發動機」(圖8-3), 該驗證發動機也是給為F-35聯合攻擊機所用的F136發動機提供更大的工作裕度、更高的安全性和未來能力的增長。

圖8-3、通用電氣公司/愛立生公司的XTE77第三階段「聯合技術驗證發動機」

核心機可分為技術核心機和型號核心機。

8.3.1技術核心機

技術核心機是用於對採用高新技術(例如採用新的氣動設計、結構設計、冷卻設計以及新材料、工藝等)新發展的先進零、組、部件以及三大高壓部件之間的匹配進行考核驗證的,這些新技術的驗證一般在部件試驗中難以實現。

通過核心機的試驗,對這些新的零、部件進行調整、改進、磨合,使其儘可能達到原設計指標,同時通過試驗建立經驗資料庫,為將來的設計提供技術儲備。

另一方面,經過驗證所得到的新技術即可立即轉移到新型號的研製和已有型號的改進改型中。美國在實施「綜合高性能渦輪發動機技術」 (IHPTET)計劃時,各參與廠商均採用了各種高先技術發展了一大批旨在大幅度提高發動機綜合性能的零、部件,為此各公司發展了一系列驗證這些新技術的「技術驗證核心機(或燃氣發生器)」。

圖8-4、美國IHPTET計劃中的XTC76/3技術核心機

例如,圖8-4所中示XTC76/3技術核心機是由通用電氣公司和艾利遜公司聯合研製的,用於驗證所採用的先進部件的技術是否能使發動機達到推重比提高48%和耗油率降低的目的。

圖8-5為普·惠公司的XTC66/1B第二階段「先進渦輪發動機燃氣發生器(ATRGG)」,它是用以驗證每級增壓比均高的高壓壓氣機、帶超級冷卻工作葉片和導葉的高效率高壓渦輪、刷式封嚴裝置和混合陶瓷軸承等先進部件的。採用這些部件后將使發動機的推重比提高37%。

圖8-5、普·惠公司的XTC66/1B第二階段先進渦輪發動機燃氣發生器

圖8-6為霍尼韋爾(Honeywell)公司的XTC56/2第二階段「先進渦輪發動機燃氣發生器」,它是驗證能使渦輪軸發動機的功重比提高89%、耗油率降低29%,用它的直升機在執行攻擊任務時使作戰範圍擴大60%、載重量增加10%並將使用和保障費用降紙20%等的所採用的一系列先進部件的可信性。

圖8-6、霍尼韋爾(Honeywell)公司的XTC56/2第二階段「先進渦輪發動機燃氣發生器」

圖8-7為霍尼韋爾公司/通用電氣公司的XTC97第三階段「先進渦輪發動機燃氣發生器」,它將驗證增加發動機功重比、降低發動機耗油率的目標,達到該目標后能使用它的直升機作戰任務範圍擴大100%,或使載重量增加30%,同時使貨運任務的油耗降低50%,使用和保障費用降低35%。

圖8-7、霍尼韋爾(Honeywell)公司的XTC56/2第二階段「先進渦輪發動機燃氣發生器」

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