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【行业动态】航空发动机未来发展方向是缩小核心机尺寸

导读据aerospacetestinginternational网站8月17日表示,随着航空业面临环保的压力越来越大,以及面临燃料效率提升的动力,各国正在对设施进行投资以提高航空发动机效率,同时在努力改进航空发动机关键部分的功能,特别是提高空气压力以实现有效燃烧的压气机。

在比利时列日,一座占地 3,000 平方米(32,300 平方英尺)的新设施预计将于2023年底投入使用,这个称之为BeCOVER中心面向科研公司、研究中心和大学开放,由包括赛峰发动机在内的投资者向其投资超过5000万欧元(折合5300万美元)。

赛峰航空发动机公司首席执行官弗朗索瓦·莱波特 (François Lepot) 表示:“我们行业的可持续性取决于新的环保技术,我们正在为此做准备,这就是我们决定投资这个项目的原因,尽管该行业因新冠疫情而暂时陷入困境。多亏有BeCOVER项目,比利时拥有了开发下一代压气机的独特测试设施。”

德国公司MTU Aero Engines于2019年开设了一个新中心,用于测试压气机的零部件,如叶片、圆盘、机匣、环和油管。MTU还与欧盟“清洁天空2“计划项目的合作伙伴一起在德国航空航天中心 (DLR) 科隆基地进行了测试。内部压气机管道平台ICD(Inter Compressor Duct)平台于2018年和2019年投入使用,以测试三种不同的ICD 配置。从其中两种配置中选择了一种用于压气机设计研究,该设计承诺在安全可靠和最佳性能之间取得最佳折衷。

MTU表示,DLR平台采用双轴配置,这也是最具挑战的部分,双轴配置比单轴配置可以更好的匹配气流,每个压气机段由其相应的涡轮进行的独立驱动。

明年MTU公司将更新其自己的两轴测试台,以满足更高的性能和复杂性要求。MTU公司对其设施进行现代化改造的方法是创建一个高度集成的自动化测试平台。该公司一直在投资能够实现压气机现代化测试计划目标的新技术。其需要高度准确的测量,并在恶劣的环境中进行。测试压气机意味着处理高能量设备,压气机运行到其运行范围的最边缘,有时甚至超出,但必须安全运行。

这是对仪器仪表和测试台操作的完整性及其自动化的挑战。根据MTU公司的说法,它需要测试人员具备“非凡的专业知识”。

新一代压气机的设计需要具有高效率要求,同时确保飞机在飞行包线内稳健安全的运行。用于设施控制的智能设备、高度自动化和用于收集高精度数据的先进测量技术一直是MTU公司的关键投资。

“需要不断引入最新技术。”该公司表示。“这一切都需要集成,从而形成一个高度数字化的测试台环境,支持所有数据的采集、整合和分析。”

分析设计工具的校准是任何测试平台的首要任务,压气机测试的范围取决于它。对于测试压气机,组件的性能、效率和可操作性以及压气机模块的机械完整性的证明是最重要的。

MTU Aero Engines公司最新的发动机零部件测试中心于2019年在德国慕尼黑开业。

BeCOVER,即改善环境和研究的压气机测试单元,将能够为最新的民用和军用飞机发动机测试所有类型的压气机。测试中的一个差距是能够测试新一代压气机的测试单元的可用性。该设施将为大型压气机提供30兆瓦的功率供应,这些压气机具有用于低压和高压压气机的轴。其他欧洲测试电池的运行功率仅为16MW。

正如BeCOVER正在为更环保的发动机开发压气机一样,该设施本身也旨在更加环保。除了使其成为半埋式建筑以最大程度地减少噪音污染的土盖外,该设施还将收集雨水并将其用于冷却和其他目的。

BeCOVER的关键能力是其闭环测试,可以在高空台下进行测试。测试单元还将能够测试三重气流。通常,压气机有一个或两个气流,但在下一代军用变循环发动机中,发动机中会有三个流道,测量来自压气机出口的3种气流也将有助于确定压气机的性能。

研究压气机将成为BeCOVER的第一个测试项目的主题,该项目计划于2024年初进行。

“BeCOVER的真正创新之处在于,该设施将能够在代表不同高度的条件下进行测试。”赛峰航空发动机测试单元业务部高级副总裁杰罗姆·莫赫特(Jérôme Morhet)说。

2024年的测试计划将成为航空发动机制造商CFM国际(赛峰集团和GE航空的合资企业)的可持续发动机革命性创新 (RISE) 计划的一部分。第一台RISE发动机预计将在2030年代投入使用。“我们将使用最新的仪器。我们有自己的软件,称为Cyress。该软件由赛峰集团测试单元开发,它非常适合数据采集控制系统。” 莫赫特表示。

下一代低压压气机的主要驱动力是最大限度地提高性能和可操作性。前几代压气机的设计更多的是为了可操作性而不是最大限度地提高性能,这意味着它们具有很高的失速裕度。当气流供应和气流需求之间存在不平衡时,压气机就会停止。发生这种情况时,顺畅的气流会中断,航空发动机内就会产生湍流和压力波动。对于新的发动机架构,低压压气机必须以更高的速度运行。

测试将需要在BeCOVER测试单元内记录数千个数据输出的仪器,收集的数据将显示压气机在飞行剖面所有阶段的行为,只有完整的压气机模块将在测试单元中进行测试。

“了解压气机模块在高空条件下的行为将变得越来越重要。”莫赫特表示。

当压气机模块准备好作为代表性动力装置的一部分进行测试时,它将由CFM国际公司在其他地方进行测试。对于包含下一代低压压气机和高压压气机的系统级发动机测试,这是由制造商执行的。

在美国NASA格伦研究中心,俄亥俄州的压气机研发专注于空气动力载荷和空气机械不稳定性,使核心机更小。格伦研究中心发动机研究大楼W-7的测试设施没有计划进行重大更改,预计现有仪器和计算机软件将满足研究的需要,除了压气机之外,格伦研究中心的工程师还在开发燃烧室和材料以实现更高的工作温度。

通过减少50%的二氧化碳和氮氧化物以及噪音来减少空中交通对环境的影响,这对航空业来说是一个巨大的挑战,需要在发动机的所有领域都取得进步。

压气机已经在欧洲进行了大量投资,预计它们运行最终的发动机要到下一个十年才能投入使用。

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