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清华大学“云牵手”嘉兴 打造国家级航空发动机关键技术创新高地

拓普思实验室系统 2020-05-04

【导读】清华大学、嘉兴市、清华长三角研究院还将共同成立“清华大学航空发动机研究院嘉兴分院筹建工作组”

航空发动机是一种高度复杂和热力机械,作为飞机的心脏,不仅是飞机飞行的动力,也是促进航空事业发展的重要推动力,人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分。正在使用的航空发动机包括涡轮喷气/涡轮风扇发动机、涡轮轴/涡轮螺旋桨发动机、冲压式发动机和活塞式发动机等多种类型,不仅作为各种用途的军民用飞机、无人机和巡航导 弹动力,而且利用航空发动机派生发展的燃气轮机还被广泛用于地面发电、船用动力、移动电站、天然气和石油管线泵站等领域。

航空发动机是世界公认的核心技术门槛高、整体结构复杂的工业产品,也是目前严重制约我国航空产业和国防实力提升的“卡脖子问题”。2019年,浙江省、嘉兴市和清华长三角研究院积对接清华,争取到航空发动机研究院京外分院在嘉兴落地。

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2020年3月下旬,清华大学与浙江省嘉兴市利用网络进行了“云签约”,共同开展航空发动机基础研究和产业关键技术研发,打造新一代航空发动机关键技术创新高地。清华大学、嘉兴市、清华长三角研究院还将共同成立“清华大学航空发动机研究院嘉兴分院筹建工作组”,通过推动有关平台建设和项目落地,致力于建成航空发动机关键技术创新高地和资源集聚等平台,依托清华大学、面向国际竞争,为长三角区域乃至全国航空产业提供有力的科技支撑。

传统的航空发动机正在向齿轮传动发动机、变循环发动机、多电发动机、间冷回热发动机和开式转子发动机发展,非传统的脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机、涡轮基组合发动机,以及太阳能动力和燃料电池动力等也在不断成熟,这些发动机的发展将使未来的航空器更快、更高、更远、更经济、更可靠,并能够满足更加严格的环保要求,并将使高超声速航空器、跨大气层飞行器和可重复使用的天地往返运输成为现实。

非传统新型航空发动机

非传统新型航空动力是指传统的涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞、冲压、火箭发动机以外的新型先进航空发动机。非传统新型航空发动机大致包括以下3类:

一是新概念发动机。在结构、原理或循环特性上与传统发动机具有很大的区别与创新,如脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机、波转子发动机、等离子体发动机、分布式矢量推进发动机等。

二是重大革新型发动机。在传统的发动机原理、结构基础上进行了重大革新。如多电发动机、自适应循环发动机、智能发动机、间冷回热发动机、桨扇发动机、超微型涡轮发动机、冲压转子发动机、骨架结构发动机和各种组合发动机等。

三是新能源发动机。面对石油资源的枯竭和绿色环保的要求,开发使用航空煤油以外的新燃料和新能源。如氢燃料/合成燃料/生物燃料/天然气燃料发动机,太阳能、核能、燃料电池、激光和微波能发动机等。

1、超燃冲压发动机

超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压喷气发动机。超然冲压发动机技术是高超声速飞行器推进技术,乃至整个高超声速飞行器技术的核心技术。 超燃冲压发动机的适用速度范围为马赫数5-16,主要用于高超声速巡航导 弹、高超声速飞机和可重复使用的航天运载器。

2、涡轮冲压组合发动机

涡轮冲压组合发动机是将涡轮发动机和冲压发动机组合起来使用的吸气式发动机。根据涡轮发动机和冲压发动机的组合方式,可以分为分体式和整体式组合发动机,其中整体式组合发动机又根据涡轮和冲压两类发动机主要部件的关系和流程分为串联布局和并联布局。在涡轮冲压组合发动机中,冲压发动机按其工作模态分为亚燃、超燃和双燃冲压发动机。

3、脉冲爆震发动机

脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机。这种类型发动机结构简单,少有或无运动部件,热循环效率比常规活塞、涡轮发动机和冲压发动机更高,推重比高,耗油率低,被认为是21世纪有潜力的航空航天动力,因此在现代航空发动机领域具有广阔的应用前景,可用于无人驾驶飞机动力装置、靶机、引诱飞机、靶弹动力装置、远程导 弹、战略飞机动力装置和高超声速飞机动力装置等,是航空航天领域革命性动力之一。根据其用途的不同,可以将吸气式脉冲爆震发动机大致分为3类:纯脉冲爆震发动机、混合式脉冲爆震发动机和组合式脉冲爆震发动机。

4、间冷回热循环技术

间冷回热循环概念早于20世纪五十年代提出,随后各国开始进行大量的理论与实验研究。间冷回热涡扇发动机是一种新型节能环保航空发动机,通过在传统涡扇发动机热循环基础上增加间冷和回热过程,可使得发动机拥有更低的耗油率。回热器是间冷回热涡扇发动机的一个主要特征部件,工作在超过900K的高温核心流中,其性能将直接影响发动机的性能,其设计技术是间冷回热涡扇发动机的一个关键技术。

5.桨扇发动机

桨扇发动机是一种介于涡桨发动机和涡扇发动机之间的结构,看上去很像螺旋桨,但实际上与风扇和螺旋桨都不同。新型螺旋桨由两个旋转方向相反的螺旋桨在一起工作,螺旋桨的桨叶较多,每片桨叶形状较戴弯曲后掠呈马刀形,但随着飞行速度的增加,螺旋桨的转速进一步爆高时,就会遇到很多问题,不仅叶尖速度达到声速,将对降低阻力和声学特性造成影响,而且效率也会变低,耗油率还要增加。桨扇发动机的研制弥补了涡桨发动机耗油率的不足。