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强大的俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)——2025~2030年俄罗斯航空发动机发展规划

时间:2017-05-24  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  中央航空发动机研究院(CIAM,俄文简称ЦИАМ)始建于1930年12月3日,是在中央空气流体动力学研究院(TsAGI)螺旋桨发动机部、汽车和汽车发动机研究院的航空发动机部、伏龙芝航空工厂附属设计局基础上组建的,是苏联/俄罗斯航空发动机领域最权威的综合性、系统性研究机构。该研究院是俄罗斯联邦国家科学中心、联邦国家企业,是俄罗斯唯一拥有从航空发动机的研制到对产品的科技维护的全方面能力的企业。

 

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  CIAM是国家科研机构的领导者,主要包括以下四大研究领域:

 

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  CIAM作为俄罗斯领先的发动机研究机构,为无人机、小型飞机、亚音速客机和伙计、高超声速飞机、直升机以及其它各类型飞机设计发动机。CIAM拥有航空发动机开发的全生命周期技术,参与了俄罗斯所有的国产发动机的设计。CIAM的竞争实力在于拥有先进的数字化设计技术和航空发动机及其部件的设计及测试技术。

 

  CIAM在航空发动机设计方面的主要任务包括:对未来各大类飞行器引擎发展进行全面预测、新型现代化发动机设计、发动机工作流程数学建模、发动机CAD数学建模、小型发动机设计、航空活塞发动机设计、高速发动机设计、发展和更新民用航空发动机的规范等。

 

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CIAM重要科研成果:A-聚合物复合材料的风扇叶片;B- Stage C-179-2 (fan impeller and retaining stages);C-双转子复合材料风扇叶片模型;;D-齿轮箱(NP= 30,000 HP,IP =2.5-3);E-涡轮整体叶盘

 

  自1953年创建起,CIAM多年来一直拥有欧洲最大的航空发动机试验体系。截止2015年,SIC拥有八个发动机全面测试(包括高度、速度、温度和湿度等)试验台,可以对五十种型号的发动机和百余种组件进行测试。CIAM试验台总装机能力为734MW,可模拟0-27km高度、Ma 0-4范围的飞行条件。可进行起飞推力达25kgf的涡喷发动机和Ma 7的大规模未来高速民用飞机的高超声速冲压喷气发动机高度、速度特性模拟试验,以及进行燃烧室、压气机、涡轮机、燃烧室加力、冲压发动机的独立测试。

 

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CIAM’s testing facility at Lytkarino

 

  通过SIC的研究,主要解决CIAM的以下项目:

 

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  在发动机测试技术方面,CIAM具备三方面发展模式:

 

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  CIAM的测试装备不但参与了前苏联/俄罗斯和乌克兰的全部发动机型号研制,还参与了欧洲部分发动机的型号研制。

 

  CIAM于2014年加入 “茹科夫斯基学院”国家研究中心,该科研中心包括五个俄罗斯航空工业的领先科研机构:中央空气流体动力研究院(TsAGI,俄文简称ЦАГИ)、中央航空发动机研究院(CIAM,俄文简称ЦИАМ)、国家航空系统科学研究所(GosNIIAS,俄文简称ГосНИИАС)、西伯利亚航空科学研究所(SibNIA,俄文简称СибНИА)、航空系统国家科学试验场(GkNIPAS,俄文简称ГкНИПАС)。

 

  该科学研究中心的建立是为了《2013-2025年航空工业发展》国家计划,CIAM与多家行业内企业进行了合作,在企业联合项目中参与了第五代发动机的研制。CIAM还积极参与了新一代航空发动机在高速、气候环境试验台的空气动力学和耐久性调试的工程技术试验。CIAM与“俄罗斯直升机”针对广泛使用复合材料和陶瓷材料的发动机进行了直升机涡轮发动机的外形测定和关键技术的优化。

 

  CIAM从科技储备阶段一直到国家试验台的认证阶段,参与整个航空发动机的研制过程。

 

  国际方面CIAM与世界科研中心、德国DLR、法国ONERA、荷兰NRL、欧洲航天局(ESA)以及欧美领先的航空航天和发动机企业(空客、赛峰、达索、波音、罗•罗、普•惠加拿大、MDS Aero、Avio Aero、MTU Aero、MAN Diesel Turbo SE、Shell)建立了紧密联系,同时与亚洲科研中心、印度的GTRE和DRDL、中国的中钢集团工程设计研究院(SEDRI)、GTE和CAPI等公司进行了合作。

 

  自2003年起,CIAM加入了国际科学合作组织——欧盟框架研究计划(研究航空运输生态问题、减少航空技术的应用、制造和研究的时间和经费、用户的安全保证、飞机维护及乘客的安全保证、未来航空运输新思路和新技术的研究)。十多年来,参与了一系列航发关键项目,目前CIAM正在与欧盟探讨加入“地平线2020”项目。

 

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CIAM在欧盟框架计划的第6和第7阶段中的贡献

 

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CIAM目前正在进行的欧盟框架计划项目

 

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CIAM参与的主要国际项目

 

  CIAM在预研先行的同时,也将会更加注重对新一代航空发动机的研究。加强与俄罗斯航空发动机行业内其他研究所和设计局的合作,以探索新一代发动机采用的技术。2015年8月,CIAM公布了其为保证俄航空发动机在2020-2030年前及更远的未来具备竞争力的科技研发工作。主要涉及桨扇发动机(开式转子发动机)、复杂热力学循环发动机、分布式动力系统、混合式动力系统和超音速发动机的研发。

 

图表:2025~2030年CIAM航空发动机发展规划

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  资料来源:CIAM

 

  高性能大型涡扇发动机

 

  俄罗斯近30年来的首款发动机PD-14已经计划批量生产,关于PD-14发动机的先进技术这里就不再赘述了。值得一提的是PD-14发动机研制的成功将极大的带动俄罗斯航空发动机整体技术水平的发展,俄罗斯计划利用其核心机进一步研发直升机的涡轴发动机和更大推力的民用航空发动机。

 

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利用PD-14核心机发展的适用于不同飞机类型的多型发动机(看这张图就是感觉满满的激情啊!)

 

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宽体客机发动机PD-35也是有PD-14发动机发展而来的

 

  2016年2月。CIAM正式提出了推力达30~35吨的大推力航空发动机PD-35的研发项目。CIAM根据长期针对世界航空技术市场发展趋势的分析,认为大推力发动机具有长期竞争力。并提出了PD-35航空发动机的研制目标:

 

  超过20 EPN分贝(在第4章ICAO标准的规则相比)降低噪音;

 

  60%(与标准CAEP / 6相比)的NOx排放的供应;

 

  有关机之间的时间的30多万小时的飞行过程中,在2030年- 550万小时以上。;

 

  工作时间在机翼上超过15-20万小时以上。

 

  执行ETOPS规则330分钟(在一个发动机为双引擎飞机飞行)。(而不是从PD-14 180分钟。);

 

  相对于发动机的第五代的水平比油耗降低10%-15%。

 

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  开式转子发动机

 

  在2011-2015年CIAM研究了2025-2030年民用飞机可能应用的动力装置布局。直接驱动和减速器驱动的双转子桨扇发动机(开式转子)可为未来支线飞机应用提供一定优势。

 

  俄罗斯-乌克兰合作研制的安-70运输机上配装的D-27桨扇发动机就是一种开式转子发动机,安-70因此成为世界上第一种仅采用桨扇发动机推进的飞机。除俄罗斯外,美国通用电气、普惠,英国罗罗,法国斯奈克玛等西方主要航空发动机企业都开展了开式转子发动机研究。

 

  浆扇发动机具有较高的燃油经济性,但是与传统的涡扇发动机相比具有较高的噪声。解决这种问题的主要途径之一是使双转子前后螺旋桨具有不同的直径,CIAM研制了“COMBY”桨扇,在巡航飞行条件下保障推进效率达到0.85,在噪声水平不增加的情况下能够增加起飞推力13%。

 

图表:COMBY2与欧盟DREAM计划中的的开式转子发动机空气动力对比

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  资料来源:Central Institute of Aviation Motors

 

图表:CIAM的开式转子发动机验证机结构图

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  资料来源:CIAM

 

  CIAM目前进行了开式转子发动机的全尺寸齿轮传动验证机的研制,该验证机具有现场试验结果可靠性高、降低了模型和全面测试成本、缩短关键技术开发周期等优点。

 

  分布式动力系统

 

  关键技术:

 

  高性能低噪音外置式风扇(单列和双排)(可在入口不均匀增加的气流的综合条件下运行);

 

  曲线空气和气体通道边界区的气流控制设备(用于降低不均匀和波动性气流和压力损失);

 

  分布式动力系统的元件和部件,尤其是传动装置,可将能量从动力源(气体发生器)传递到动力部分(风扇螺旋桨);

 

  正反转示意图的创建,以获得涡轮机的更高效率。

 

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  混合式动力系统

 

  关键技术:

 

  可调电功率范围2~5.5兆瓦,单位质量<0.1~0.3千克/千瓦(当前水平1~3级)

 

  电力系统带燃料带特定重量<1.0千克/千瓦(当前水平2~5级)

 

  由煤油制成的合成气体和氢气机载震荡发生器(催化重整,等离子催化转化,脱水)

 

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  超音速发动机

 

  超音速客机及超音速商务机动力装置发展方向:

 

  可大范围调节输出路径的可变周期涡扇发动机

 

  带自适应风扇的可变周期涡扇发动机(控制风扇压力上升程度和导出量)

 

  分布式动力系统

 

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