北京航空航天大學能源與動力工程學院前身是發(fā)動機系，是北航建校之初成立的兩個系之一。70余年來，面向能源與航空動力前沿和國家發(fā)展需求，誕生了全球唯一由高校研制成功并量產(chǎn)的渦噴 11 發(fā)動機，發(fā)射了亞洲第一枚探空火箭，獲得了包括國家發(fā)明一等獎“航空發(fā)動機沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器（被錢學森稱為“一項長中國人志氣的重要發(fā)明”）在內(nèi)的 12 項國家獎。近年來，學院相關研究團隊在航空發(fā)動機熱端部件冷卻、非定常流固耦合、非火攻智能驅動器、損傷容限及壽命評估等方面取得諸多研究成果。
案例一：攻克熱端部件的高效冷卻技術，顯著提升我國航空發(fā)動機性能、可靠性和壽命
航空發(fā)動機高壓渦輪葉片和渦輪盤等熱端部件的高效冷卻是確保發(fā)動機性能、可靠性和壽命的核心關鍵。對于我國更是如此：一方面，部件效率低等問題必須依靠更高的燃氣溫度；另一方面，材料和制造與國外先進水平存在差距。因此，我國高溫部件冷卻面臨著更為嚴峻的挑戰(zhàn)。
為攻克熱端部件的高效冷卻技術，北航高溫部件旋轉換熱團隊數(shù)十年如一日潛心攻關。從旋轉態(tài)下測試技術創(chuàng)新到我國首個完整的旋轉冷卻研究設施群的建設；從旋轉態(tài)非對稱非線性冷卻理論的提出到多場耦合復雜結構高效均勻冷卻新理念和新方法的形成；從復雜結構高效均勻冷卻技術突破和非對稱非線性冷卻結構的創(chuàng)新到在我國現(xiàn)役/在研軍民用航空發(fā)動機的應用，為我國航空發(fā)動機熱端部件自主研制做出了系統(tǒng)性貢獻。
成果先后應用于我國多代次航空發(fā)動機的研制，高壓渦輪葉片局部溫度和高壓渦輪盤熱應力大幅度降低，可靠性和壽命顯著提升；成果獲得 2017 年國家技術發(fā)明二等獎，團隊獲得首屆國防科技創(chuàng)新團隊獎。
案例二：破解葉片非定常流固耦合難題，提升發(fā)動機葉片抗顫振能
整機葉片斷裂問題屢次出現(xiàn)，嚴重制約了我國發(fā)動機自主研制進程，但其中一類由于氣動失穩(wěn)和聲共振所誘發(fā)的流固耦合機制卻很難被發(fā)現(xiàn)，該類故障診斷中所涉及的氣動穩(wěn)定性/氣動聲學/氣動彈性耦合發(fā)生機理、預測和控制研究工作一直是本領域前沿熱點和關鍵瓶頸所在。
非定常流團隊提出了基于特征值方法的葉輪機流動穩(wěn)定性通用理論，取得了基于傳遞單元法的整機氣動聲學快速預測方法等一批原創(chuàng)成果，為探尋葉片流固耦合失效真正誘因提供了理論支撐，并發(fā)明了基于壁面阻抗調控的擴穩(wěn)、降噪、抑顫統(tǒng)一方法，為解決葉片斷裂問題提供了新的技術途徑。葉片振動頻率相位預測誤差 5%以內(nèi)，穩(wěn)定性提升 50%，降噪 8dB，為國產(chǎn)發(fā)動機葉片斷裂故障的診斷和識別提供了一種新的理論與方法。
團隊獲批自然基金“優(yōu)青”2 項，在歐洲和澳洲舉辦的聲學及葉輪機頂級國際會議 ICSV 19 和 ISABE 2019 上做大會主題報告，主辦 GPPS 19 等國際著名會議。團隊獲某國家重大專項基礎研究、民機科研、科技部 973 計劃、自然基金重點/重大等項目連續(xù)資助，成果應用于我國第四代主力戰(zhàn)機發(fā)動機、CJ1000 等 6 個重點發(fā)動機型號以及運 20 APU 消聲短艙，獲中國航空學會技術發(fā)明一等獎。
案例三：發(fā)明智能驅動器，引領我國航天非火工分離驅動技術
航天飛行器需要驅動器來實現(xiàn)太陽翼展開、姿態(tài)調節(jié)等動作。傳統(tǒng)火工品驅動器通過炸藥爆 炸來實現(xiàn)釋放功能，引起的沖擊和污染會導致飛行器無法攜帶高精度光學觀測和導航等精密設備。我國多個航天型號在研制過程中急需攻克非火工驅動器關鍵技術。
智能推進團隊利用形狀記憶合金在溫度變化下的形變效應，提出了記憶合金分組滾棒低摩擦 鎖緊結構和二級鋼球鎖緊結構，降低了驅動過程中的摩擦損耗；在驅動器壽命預測環(huán)節(jié)考慮了“驅動路徑”下記憶合金塑性應變累積，壽命預測精度超過 90%；研制了國內(nèi)首個非火工、經(jīng)空間飛 行環(huán)境驗證的智能驅動器，載荷放大系數(shù)高達 335，輸出力超過 40000N，是 NASA 同類驅動器的 3 倍以上，實現(xiàn)了航天器“無污染、低沖擊、可重復”的壓緊與分離功能。
目前智能驅動器已應用于北斗、天舟、東方紅 4 號、實踐 17-19、新技術驗證衛(wèi)星 1 號、某 型戰(zhàn)略導彈等 16 個航天器型號，在軌運行機構 32 套，100%完成功能，產(chǎn)生經(jīng)濟效益 3500 萬元， 設計標準已推廣至中科院、航天科技等 7 家科研單位。團隊獲授權國家發(fā)明專利 14 項，實現(xiàn)專利 轉化與應用 8 項，獲邀在國際頂級會議作大會報告 4 次，出版《形狀記憶合金智能結構》等專著 3 本，為我國航天分離驅動技術進入非火工時代起到主要推動作用。
案例四：準確預測渦輪復合疲勞壽命，支撐發(fā)動機安全可靠飛行
航空和艦船燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪部件工作時承受嚴酷的熱-機械等復合載荷，準確預測其復 合疲勞壽命的難點在于：實驗室條件下的多物理場載荷模擬，以及高精度結構損傷容限與壽命評估理論及方法。
基于我國材料與制造體系，渦輪葉片強度壽命團隊研制了氣/熱/機械多場載荷試驗加載與在 線損傷測試系統(tǒng)，能夠精確模擬并施加高溫結構應力場、調整溫度場相位與幅值，實現(xiàn) 1200℃下亞毫米范圍內(nèi)的損傷實時監(jiān)測。通過開展“標準件-模擬件-真實部件”3 類試驗件壽命試驗，系 統(tǒng)發(fā)展了高溫結構復合疲勞壽命設計理論與方法，并開發(fā)了國內(nèi)首款可靠性與損傷容限設計軟件， 壽命預測精度在 3 倍分散帶以內(nèi)。
基于上述定壽理論與方法已形成行業(yè)規(guī)范 3 項，獲省部級一等獎 2 項，實現(xiàn)發(fā)明專利成果轉化 23 項。該研究可使 3 型發(fā)動機渦輪壽命從 800 延長到 3000 小時、2 型從 800 延長到 1200 小時、 1 型延長至 3750 小時，并已成功應用于某發(fā)動機整機定壽、某代機型號研制、CJ-XX 和WZ-XX 適航取證、WS-XX和WZ-XX 發(fā)動機大修判廢等 13 個重點型號，產(chǎn)生經(jīng)濟效益 1.4476 億元，支撐和保障了我國航空發(fā)動機的安全可靠飛行。
