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“中国心”行不行?能不能上C919?你们啊,naive

扬基帧察站  · 公众号  ·  · 2018-02-13 09:32

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CJ1000A的风扇和增压级结构图(上)和“瓦伦”结构空心叶片(下)


CJ1000A的风扇直径约为1.95m,叶片数量为18片,采用小展弦比三维宽弦空心叶片,叶片材料为TC4钛合金,内部采用“瓦伦”空心结构,超塑成形(SPF)/扩散连接(DB)工艺,风扇机匣采用硬壁包容设计,低压压气机为3级。

LEAP采用3-D WRTM工艺制成的风扇叶片


LEAP系列发动机的风扇叶片直径为78英寸(约为1.98m),叶片数量为18片,低压压气机为3级。这里重点提一下LEAP采用的先进三维编织树脂模型传递成型(Three-dimensional Woven Resin Model Transfer Molding,简称3-D WRTM)的风扇叶片。


这种风扇叶片是三维碳纤维编织物,碳纤维并不是简单层叠在一起,而是采用三维技术编织形成网状结构,使其更加坚固,然后注入树脂并在高压容器内固化,不仅重量轻,耐久性好,抗外物打伤能力强、抗振动性能好,而且容易形成复杂型面的叶片。


LEAP的风扇叶片呈现复杂型面外观


总之,CJ1000和LEAP的风扇都采用三维宽弦弯掠叶片,这种叶片的外形采用三元流设计,即叶片中上部后掠,叶尖前掠;越靠近叶尖部分,叶片的弯掠程度越大,大大降低了风扇叶片的流动损失,气动效率高。


从气动性能上看,宽弦叶片可以增大风扇稠度,降低叶片的负荷,从而使工作切线速度得以降低,也就降低了风扇进口的相对马赫数;宽弦叶片的流通能力更强,风扇流量也会增大。


CJ1000的涵道比虽然比涡扇-20显著提高,但与国际先进水平仍有差距


从叶片尺寸来看,虽然CJ1000A的风扇直径较小(1.95m<1.98m),导致涵道比略小,这可能会使得CJ1000A在同等推力下的耗油率更大、或者同等耗油率下推力较低;但这可以通过叶片的设计去部分弥补,并不是决定性的影响因素。


然而CJ1000A的风扇叶片采用传统的钛合金金属材料,类似国际上第三代大涵道比涡扇如Trent800/900的风扇材料水平,没有像LEAP那样采用先进的复合材料。这会导致CJ1000A的风扇叶片重量更大,发动机工作时产生的离心力更大,因此轮盘承受的载荷也更大,所以轮盘需要加强,使得轮盘重量也更大,影响了发动机总体设计。


Trent1000的钛合金叶片(左)和GEnx的复材叶片


所以尽管两者的风扇与低压压气机在气动效率上基本处于同一水平,均达到了第四代大发的性能指标。 但在材料应用上。CJ1000A距离LEAP有明显差距,仅相当于国际第三代大发的风扇材料水平。




(三)差距只在毫厘的核心机设计


核心机又叫燃气发生器,是航空涡轮发动机最核心的部分,包括高压压气机,燃烧室和高压涡轮三部分。核心机的性能指标决定着发动机的整体性能,因此欧美航发巨头非常重视核心机的研发。


好巧好巧,我们的发动机都叫D30


国外普遍采用先集中力量研制一型采用高循环参数、高技术水平的高性能核心机,然后在保持该核心机基本几何参数不变的条件下,通过改变风扇或低压压气机的级数和直径、涡轮的冷却和材料等来改变发动机的主要循环参数,如增压比、涵道比、空气流量、涡轮前燃气温度等,衍生出不同种类发动机。


此外,在成熟的核心机基础上,按照相似理论放大、缩小,可以将核心机尺寸加大或缩小,以改变发动机的推力或功率大小,从而获得不同性能和用途的发动机。这种派生发展系列化的方法风险小,零件通用性好,有利于降低设计、生产成本和维修费用。事实证明,这是一种非常高效且合理的航空发动机研发道路。

核心机系列化发展示意图


CJ1000A的核心机是第一台国内自主正向研发、且性能达到国际第四代民用涡扇发动机标准的高性能核心机,由10级高压压气机、2级高压涡轮和单腔环形燃烧室(Single Annular Combustor,简称SAC)构成,在研发之初不仅瞄准了高性能指标,更考虑到了日益严格的环保标准,这也是民用发动机相较于军用发动机的一大不同。







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