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行业分析

提高燃油效率 解读未来航空工业三大关注领域
来源:人民网  2013-06-13 17:26:31
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=723
  据中国国防科技信息网报道,未来二十年航空工业面临的最大挑战是如何提高燃油效率。随着全球需求的增长以及新能源的缺乏,石油存储量正在以超前的速度消耗,使用成本也不断增长。为了交付更高效率的飞机,工程师通常关注三个领域:改善气动剖面和机翼结构、降低重量以及采取提高燃油效率的发动机设计。
 
  气动性能的改善和重量的降低受到当前技术工程能力和材料特性的限制,近期很难有较大突破。近些年来提高燃油效率的一个最简单方法是综合采用更低的阻尼系数剖面以及提高发动机的燃烧温度。但是工业界在推行这种方法时面临着一些障碍,由于发动机中普遍使用的金属材料最高温度阈值是2200°F(1204℃),因此简单地提高燃烧温度或冷却发动机内部气流所能取得的效果非常有限。对于军用和民用飞机来说,当前一代的发动机设计技术已经无法带来本质性的改善。工业界面临的问题是在设计面临限制的同时如何继续改善发动机使用。
 
工程解决方案
 
  为了设计能够超越这些局限性的发动机,目前全球航空发动机制造商的研发团队主要有两个方法。第一种方法是对发动机内部气体进一步冷却,而这主要要求一种全新的、改进的发动机结构体系。
 
  第二种方法是研制能够超出合金材料温度限制的新材料。最可行的新材料是陶瓷基复合材料(CMC),这种材料具备远超出当前材料的耐高温能力。目前CMC正在被引入,并已经在CFM国际公司——美国通用电气(GE)公司和斯奈克玛(Snecma)公司联合投资体——研制的CFM LEAP高涵道比涡扇发动机上得到应用。初步试验结果非常乐观,耗油率降低了16%。但这只是一个初步尝试,CMC将提供的全部益处还有待拓展。如同所有在航空工业有应用潜力的材料一样,在其研制的早期阶段需要开展大量试验。
 
测试要求和挑战
 
  当测试新一代材料以收集足够多数据时,通常会遇到未知的挑战并需要新的方法。这在CMC研制的早期阶段就已经出现了。
 
  第一个主要障碍是设备,简单来说,对超过2700°F(1482℃)及以上温度材料的试验,目前仍没有可以达到并维持该温度水平的可用设备。为此,Element Materials Technology公司利用单质陶瓷块(加工成一个腔)制造熔炉,之后将其暴露在高温环境中并使其形状固化。
 
  除此之外,对于试验测试团队而言,还有一些看似不重要但非常关键的障碍有待克服,比如如何在新的熔炉中固定样件,因为所有的现有技术都无法承受试验过程中的压力和热,为此必须设计并制作一个能够在新的熔炉中固定样件的夹具。
 
  试验人员所遇到的最大挑战还是样件温度的测量。直接接触样件的测量方案是不可行的,因为在高温环境下测量装置通常会与样件发生反应,导致试验失败。标准的选项是使用热电偶探针,它可以在小距离内(不与样件直接接触)精确地测量样件温度,但可惜的是这种测量方案在上述高温条件下也不可行。
 
  为此Element公司转而寻找新的方法来解决这个问题,他们为新一代探针设计了一种处理过的液体陶瓷涂层,这样探针可以与样件直接接触而不会发生反应,从而确保可以获得直至2700°F(1482℃)的完整试验结果;同时,在低于该温度范围内的测量结果也比同类技术更精确。由于CMC预计能够有效地承受超过3000°F(1648℃)的温度,因此Element公司还在拓展未来的技术,以实现在更极端环境下的测试。
 
  虽然已经成功地设计、制造并试验了必要的设备,但在真实的材料测试之前挑战依然不断出现。首先,何种尺寸和形状的样件能够最有利于实现对CMC耐热性、耐腐蚀性、机械特性、拉伸性能、压缩性能和耐久性的测试,值得探索。另外,这种材料本身也极为昂贵,大约是金属的5倍。
 
前景展望
 
  工业界仍处于不断了解CMC的早期阶段,并且由于该材料的特有属性以及测试方法的不断演变,这些挑战仅仅是个开始。但是工业界对CMC抱有极大希望,他们相信所有的障碍最终都能被克服,并值得大力投资。LEAP高涵道比涡扇发动机的试验结果,只是该技术可以成功用于航空工业的一个初步指示。
 
  如果气动效率的改善和重量的降低不能有效实现,研发人员的唯一希望就是通过综合利用CMC以及采用变循环设计的自适应气流系统所提供的冷却特性,来提高发动机燃烧温度。目前这样的推进系统正处于研发过程中。GE公司最近公布了与美国空军研究实验室的自适应通用发动机技术(ADVENT)计划有关的最新发动机核心机试验结果。结果表明:新的发动机核心机燃油效率提高了25%、作战半径提高了30%、推力提高了5-10%。CMC以及自适应低压转子技术的综合应用,能够最大程度地提高压比和涡轮前温度,确保燃烧效率的提高。
 
  随着航空工业界越来越熟悉CMC并持续发展试验方法,这些数字无疑将被超越。一旦制造技术逐步成熟以及材料逐渐普遍,大规模生产将促使费用逐渐减低,从而将为更快速和更经济的创新奠定基础。(中国航空工业发展研究中心 王萍)
 
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=723