EJ200——“台风”战斗机的动力之源

万磁王

原作者：Armstrong  

　　与欧洲战斗机“台风”一样，欧洲喷气（Eurojet）公司的EJ200涡扇发动机也是多国共同努力的结果，是欧洲航空发动机工业在设计和工程学上的一个壮举。
　　负责EJ200发动机研发、生产、维修支持和销售的欧洲喷气公司已经交付了超过1100台EJ200，截止2015年7月，这种发动机已驱动“台风”战斗机飞行了超过30万小时，达到了新的里程碑。EJ200在高性能和燃油效率上实现了很好的平衡。
　　从架构、尺寸和重量上看，EJ200似乎是一种简单的小型发动机，而且这种双转子涡扇发动机在紧凑结构之中使用了很多成熟技术。EJ200直径740毫米，长3.99米，重量仅为1吨（2205磅），却能产生60千牛的非加力推力和约90千牛的最大加力推力（海平面静压），全加力推重比达9.175。
　　“狂风”战斗机的涡轮联盟公司RB199发动机在直径上与EJ200相仿，仅长度短380毫米，非加力推力却足足少了20千牛。EJ200的低压压气机（LPC）和高压压气机（HPC）模块转子广泛使用整体叶盘制造技术，而且由于仅有一级高压涡轮（HPT）和一级低压涡轮（LPT），所以EJ200的零件数量从RB199的2845个减少到约1800个。

从架构、尺寸和重量上看，EJ200似乎是一种简单的小型发动机

万磁王

性能
　　一架“台风”战斗机安装两台EJ200，全加力推力180千牛，能使“台风”在高空轻松突破2马赫的速度。“台风”是目前唯一安装EJ200的飞机，因为EJ200的非加力推力也如此强劲，“台风”可在不开启加力的情况下进行超音速巡航（据说干净外形下速度可达1.5马赫）。在轻载情况下，“台风”的最大军推推重比大于1，意味着该机即使在垂直爬升中也能加速。
　　欧洲喷气有限公司是一个跨国财团，由英国罗尔斯·罗伊斯、德国MTU、意大利阿维奥航空和西班牙ITP公司按各自的研发和生产份额出资组建。
　　欧洲喷气公司在制定EJ200发动机的性能参数时偏重于亚音速性能和耗油率，但同时也希望发动机的非加力推力较高以确保良好的超音速性能；还希望发动机能有一套复杂的加力系统，使“台风”快速平滑加速；设计师们还希望这种发动机可靠性好、易于维护、易于更换，在使用寿命方面不逊于同级别发动机（如通用电气F414）。
　　为了满足亚音速低耗油率要求，欧洲喷气公司的设计师决定加大涵道比，让外涵冷空气绕过核心机进入加力燃烧室与内涵道气流混合。EJ200的涵道比为0.4，大大高于传统战斗机涡扇发动机的0.1。
　　当然，这个涵道比与客机涡扇发动机相比仍然很低，要知道庞巴迪CS100客机的普惠PW1521G发动机的涵道比已经达到了12。对于EJ200来说，增加的外涵气流不仅有助于提高亚音速燃油效率，还能满足加力燃烧室的再燃烧需求。为了满足平滑加速要求，EJ200采用了创新性的三级加力燃烧室设计。EJ200的耗油率在全加力时是47-49克/千牛·秒，最大非加力时是21-23克/千牛·秒。

一架“台风”战斗机安装两台EJ200，全加力推力180千牛，能使“台风”在高空轻松突破2马赫的速度

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低压压气机
　　与商用涡扇发动机不同，EJ200上并不存在一个单独的风扇级，而是一个三级低压压气机模块，这也就是为什么欧洲喷气公司强调EJ200没有风扇只有低压压气机模块的原因。低压压气机的每一级都采用宽弦3D气动叶片压缩并驱动来自飞机可调下唇边进气口的气流进入下一级。进气口的可调下唇边可以增加进气效率并优化进入发动机的气流，这在低速飞行中非常重要。
　　低压压气机的每一级都采用整体叶盘设计，取消了传统设计中安装在轮盘上的可拆卸叶片，使发动机零件数量大大降低，从而降低了用户的维护工作量和零件库存成本。第三级低压压气机之后有一组可调进口导向叶片，这也是整个发动机中唯一的导向叶片，这也EJ200的一大设计特点。整个低压压气机模块的压比为4.2。

与商用涡扇发动机不同，EJ200上并不存在一个单独的风扇级，而是一个三级低压压气机模块

进气口的可调下唇边可以增加进气效率并优化进入发动机的气流，这在低速飞行中非常重要

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高压压气机
　　与低压压气机一样，五级高压压气机模块中的前三级也采用整体叶盘设计，进一步降低了零件数量。由于高压压气机模块的最后两级要承受很高的压力和温度，有可能造成叶片损伤，所以还是采用传统可拆卸叶片设计，更换叶片肯定比更换叶盘便宜。
　　高压压气机模块的压比为6.2，所以空气在进入EJ200的环形燃烧室前，体积已经被压缩到仅为原先的1/26，同级发动机要用9-10级压气机才能达到EJ200  8级压气机的压缩水平。EJ200的高低压压气机的叶片都采用3D气动设计，这就是压缩效率高的秘密。

五级高压压气机模块中的前三级也采用整体叶盘设计，进一步降低了零件数量

由于高压压气机模块的最后两级要承受很高的压力和温度，有可能造成叶片损伤，所以还是采用传统可拆卸叶片设计

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环形燃烧室
　　EJ200的环形燃烧室里有一系列燃油喷嘴向进入燃烧室的气流喷射燃油，燃油和空气混合成“微喷雾”，也就是欧洲喷气公司所说的“优化供油”技术。让空气和燃油在燃烧前充分混合能使燃油燃烧得更完全，从而降低氮氧化物（NOx）排放，不会形成烟迹。虽然军用飞机不必像民用飞机那样担心环境问题，但也不希望拖着尾烟飞行，因为这会大大增加被目视发现的距离。
　　燃烧室燃气的最高温度数值是保密的，一般报道为1527摄氏度，这个温度已经高于多数涡扇发动机了。欧洲喷气公司在发动机热端部件上采用了复杂的冷却技术，如燃烧室、单级高压涡轮叶片和定子、单级低压涡轮叶片上。

燃烧室燃气的最高温度数值是保密的，一般报道为1527摄氏度，这个温度已经高于多数涡扇发动机了

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高压涡轮
　　EJ200没有采用任何陶瓷基复合材料（CMC），这种复合材料比任何金属合金都耐热，目前正被应用在下一代战斗机和客机的涡扇发动机设计中，如压气机叶片和燃烧室内衬。
　　EJ200的高压涡轮叶片使用单晶金属合金铸造，具体的合金种类也是机密。叶片内部有蚀刻成形的冷却空气内部通道和表面冷却孔。
　　冷却通道和表面冷却孔能在叶片表面生成冷却气膜，使叶片在燃气冲击下不至于被融化。冷却空气来自高压压气机引气，虽然温度也有几百摄氏度，但仍然足以降低金属叶片的温度，防止出现损伤和退化。EJ200的高压涡轮定子涂上了一层专用隔热涂层，来抵御炽热燃气。
　　EJ200的高压涡轮模块彻底解决了困扰其他战斗机飞行员的“推力下降”的问题，飞行员驾机在起飞中突然加大油门时往往得不到即时响应，这是因为发动机工作温度较低，高压涡轮叶片尖端和涡轮机匣衬里间存在间隙，高压涡轮无法利用全部燃气，降低了发动机的效率，所以在飞行员突然增加推力时总是无法从及时响应。这种推力下降问题会在发动机工作温度升高后消失，因为材料在高温下膨胀消除了间隙。
　　EJ200通过采用一套非常复杂的系统解决了这个问题，该系统能进行被动叶尖间隙控制，在任何操作条件下都能保持涡轮叶片尖端和机匣内衬的紧密配合。系统涉及一组特殊材料，当然也是保密的。据分析，欧洲喷气公司有可能在机匣或内衬上采用了具有不同膨胀/收缩速率或温度的材料。
　　核心气流在离开低压涡轮后进入排气管（exhaust  duct），这里包含三级加力燃烧室中的两级。加力燃烧室的第一级具有多根径向喷油杆和径向火焰稳定器；第二级在火焰稳定器后方，具有一系列“主雾化器”，想必就是燃油雾化喷喷嘴；加力燃烧室的第三级最具创新性，在这里，外涵气流通过环形掺混器与内涵气流混合，在提高气流含氧量后喷入燃油再次燃烧。

EJ200的高压涡轮叶片使用单晶金属合金铸造，具体的合金种类也是机密

EJ200的单级低压涡轮

加力燃烧室能根据飞行员油门控制输入被逐级点燃，这些操作都由EJ200的数字发动机控制和监视单元（DECMU）自动进行，实现了三级加力的平滑过渡

EJ200的传动箱和滑油系统

万磁王

数字发动机控制
　　加力燃烧室能根据飞行员油门控制输入被逐级点燃，这些操作都由EJ200的数字发动机控制和监视单元（DECMU）自动进行，实现了三级加力的平滑过渡，除快速变化的空速表外，飞行员在加速中感觉不到顿挫感。“台风”战斗机的两台EJ200都有自己DECMU盒，安装在机匣上，每个盒子都有两个独立通道进行冗余控制。
　　DECMU是EJ200发动机自2001年交付第一台生产型以来最重大的升级项目，DECMU取代了363台第一批次（Tranche  1）生产型EJ200上的全权限数字发动机控制（FADEC）单元和发动机健康监控系统（EHMS），出现在了2007年初开始交付的第二批519台发动机上。
　　EJ200的设计使用寿命是冷端部件6000飞行小时，以战斗机每年飞行约200小时计算，大约是服役30年。不过这个寿命并不是固定的，因为每台EJ200发动机的DECMU不仅能监视众多工作参数，如温度、压力及各部件工况的测量数值，还能用这些参数来预测发动机寿命。DECMU与地面支持系统连接后可以计算出一个欧洲喷气公司所谓的“β参数”，也就是发动机设计寿命和真实寿命的比值。DECMU在每次任务后都会汇总参数计算出β参数，明确了发动机的实际剩余寿命。这意味着如果发动机的使用环境较良性（相对于设计预想），那么寿命也就会超过6000小时。
　　DECMU更大的亮点是其健康监测能力，也是EJ200自动发动机测试系统的组成部分。这套系统向维修技师提供了一个决策树，在上面能找到解决发动机问题的各种方法。系统能按照可能性降序列出疑似故障或失效部件，如果某一解决方法因实际操作原因被否决，那么系统也会提供其他方法供选择。总之，DECMU实现了EJ200的视情维护，只在必要时对发动机进行大修和更换部件，不再需要规定固定时间间隔。
　　欧洲喷气公司说EJ200发动机实现了很低的换发率，每1000飞行小时不到1次；以及较高的平均故障间隔时间，发动机出现两次核心机故障的间隔时间超过1000飞行小时。如此高的可靠性和可用性要归功于发动机的设计理念和DECMU的健康监测功能。与其他国家空军相比，英国皇家空军的EJ200积累了更多的飞行小时。

“台风”战斗机的两台EJ200都有自己DECMU盒，安装在机匣上，每个盒子都有两个独立通道进行冗余控制

DECMU取代了363台第一批次（Tranche  1）生产型EJ200上的全权限数字发动机控制（FADEC）单元和发动机健康监控系统（EHMS）

DECMU实现了EJ200的视情维护，只在必要时对发动机进行大修和更换部件

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维护
　　当EJ200确实需要维修时，这也是一个快速、简单和相对轻松的过程。“台风”战斗机为发动机设置了很多维护检修口盖，EJ200本身也有很多内窥镜检查孔。模块化设计意味着当发动机的一个模块出现故障时可以被快速更换掉，有时甚至不必从机身上拆下发动机。备用模块更换完毕后，发动机就能立即投入使用，故障模块则被带走维修。这不仅缩短了维修周期，提高了机队完好率，还使维修变得更容易，同时提高飞机和发动机的可靠性。
　　即使更换整台发动机，也能在不到45分钟的时间里完成。
　　“台风”战斗机风被设计成从后机身下方大开口拆装两台发动机，发动机可以很容易地与机身分离。通过使用绞车和钢缆，一台EJ200可被迅速从后机身底部垂直降下，然后替换发动机被向上吊入相同位置，再与支座固定起来。

EJ200发动机结构图

各模块示意图

　　EJ200共有15个独立模块，分别是：
　　·低压压气机
·轴承支座
·中机匣
·可变进口导向叶片
·高压压气机
·燃烧外壳
·燃烧室
·高压涡轮
·附件齿轮箱
·外函道
·低压涡轮定子
·低压涡轮转子
·排气管
·加力燃烧室
·收敛-扩张尾喷管

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　　EJ200的收敛-扩张尾喷管具有24对调节片和封严片，在最大加力时完全张开。

“台风”战斗机为发动机设置了很多维护检修口盖，EJ200本身也有很多内窥镜检查孔

通过使用绞车和钢缆，一台EJ200可被迅速从后机身底部垂直降下，然后替换发动机被向上吊入相同位置，再与支座固定起来

EJ200的收敛-扩张尾喷管具有24对调节片和封严片，在最大加力时完全张开

万磁王

EJ2x0？
　　2013年5月，欧洲喷气公司交付了第1000台EJ200。目前该发动机的总订货量超过1500台，装机对象都是“台风”战斗机，不过该公司仍在继续拓展新业务。
　　公司在竞争力存在一个优势，那就是EJ200具有很大的潜力增长潜力。欧洲喷气公司的EJ2x0方案预计能把非加力推力提高20%，也就是72千牛，加力推力提高到103千牛。该公司甚至还在研究一种推力更大的衍生型，使非加力推力进一步提高到78千牛（比EJ200提高了30%），加力推力提高到120千牛。毫无疑问欧洲喷气公司在技术上完全可以实现这些目标，但到目前为止这两个方案仍然停留在纸面上，一切还要看市场需求。