大型民机发动机关键技术现状与发展趋势

2012-12-03 08:57:31 作者:航空制造技术网 来源:航空制造技术网 浏览次数:0

航空发动机是当代尖端技术的标志,对飞机的性能、可靠性、环境特性和成本以至飞机的研制进度和成败有着决定性的影响,历史上飞机能力的每一次飞跃几乎都离不开发动机技术进步的贡献。当前燃气涡轮发动机经过70 年的发展已经相当成熟,成为航空动力的主要形式。而与涡轮喷气发动机相比,涡轮风扇发动机因其特有的技术优势,自20世纪50年代以来,在民用航空发动机中一直占据着主流地位。未来,气动热力、结构强度、控制和诊断、新材料和新工艺等方面的技术进步将把航空涡轮发动机的能力推向一个新的高度,更经济、更安静和更清洁的动力装置将成为研究的方向。
我国的大飞机研制尚在起步发展中,研究并掌握国外民机发动机技术的目前进展和未来发展,为刚刚起步的中国大飞机发动机研发工作提供更多的经验和教训,达到“节省时间和费用,加快发展速度,实现跨越式提高”等目标显得尤为重要。
主要大型民机发动机类型及技术特点
涡轮喷气发动机是航空燃气轮机中较为简单的一种,也是民机最广泛应用的发动机类型。其中又以涡轮风扇发动机(涡扇发动机)最为普遍[1]。在窄体机领域,737MAX和C919将装配LEAP发动机,MS-21和C系列将装配普惠静洁动力发动机,A320neo将从LEAP和普惠静洁动力中选择。
在宽体机领域,对于四发的A380,罗•罗和动机联盟(由通用电气公司和普惠公司联合组成)分别推出遄达900和GP7200发动机,对于双发的A350和波音787,罗•罗和GE分别推出遄达1000 和GEnx 发动机。其中遄达1000 的涵道比达11。它们的推力为25000~35000N。采用的新技术有全三维有黏叶轮机设计方法、复合材料风扇叶片和机匣、第三代超塑性成形/ 扩散连接钛合金风扇叶片、双环预旋流燃烧室、对转涡轮和智能发动机状态监控系统等。
评价涡轮风扇发动机的性能指标主要包括涵道比B、功分配系数x、内外涵的单位推力、总推力和耗油率。本文将从涵道比、总推力、耗油率方面介绍现今的大型民机发动机。
1 GE90、GEnx发动机
GE90是美国GE公司最早采用复合材料技术的高涵道比、超高推力的民航涡扇发动机。GE90-115B发动机是吉尼斯世界纪录所记载的世界最高推力的民航发动机,试验推力可达569kN。且其涵道比可达到9,大涵道比在增加推力的同时,也给压气机轴和转速很大的压力,噪声也大了许多。
GE90有着极大的进气口(3.43m)以及弯曲的进气叶片,其材质为实心复合材料。但是GE90的直径比较大,无法进入波音747货机,因此在运输时需要特制的超大型运输机,这造成了维修成本的上升。GE90目前仅在波音777上使用,在777-200、-200ER 及-300 上是选配发动机之一,但在777-200LR、-300ER 及-200F 上则是唯一可用的发动机。
GEnx是GE公司为波音787“ 梦幻”客机研制的高涵道比(10)、高总压比(45)、低油耗、低污染与低噪声的新一代发动机。GEnx发动机以经过验证的GE90 结构为设计基础,将替代GE的CF6发动机。与CF6发动机相比,GEnx将提高15%的燃油效率,减少15% 的CO2排放。GEnx发动机的最大推力小于GE90的378~511kN,大于CF6-80C2发动机(用于波音747-400 飞机)的258kN。与GE90相比,GEnx在4 个方面有了技术飞跃:采用双环径向分级燃烧室,压气机叶片采用三元流设计,高压压气机减少为9级,进一步降低污染排放量[2]。
2012年3月,FAA 通过了GEnx-1B PIP发动机的330min双发延程飞行(ETOPS)认证,目前GEnx已用于波音787、747-8 及空客A350。
2  遄达900、遄达1000、遄达XWB
遄达900是A380的启动发动机,是英国罗•罗公司TRENT系列发动机的第4个成员,推力为302.6~340.4kN。遄达900 的涵道比高达8.7~8.5,这是遄达系列之前从未使用过的。高涵道比发动机油耗将降低,但同时也因尺寸增大,带来重量增加;起飞时,遄达900的总压比为37~39。遄达900风扇直径达到破纪录的2.9m,具有1 级风扇、8级中压压气机、6级低压压气机、1级高压涡轮、1级中压涡轮和5 级低压涡轮。
遄达900的风扇叶片采用的是新型弯曲前缘后掠式钛合金叶片,降低了发动机噪声,提高了气动性能,增强了抗外来物损伤能力。发动机采用高压转子反向旋转设计,提高了核心机的效率,使气流更“直”地穿过发动机,提高了发动机气动性能。
遄达1000发动机(图1)是罗•罗为应对波音787的各项要求而研发的,是遄达系列发动机的第5个成员。遄达1000发动机的推力为236.7~333.8kN,其涵道比为10.8~11,总压比为52.1。遄达1000 发动机继承了遄达900 发动机的新型弯曲前缘后掠式钛合金叶片和高压转子反向旋转设计等先进技术,不断升级、改进。


2011年年底,遄达1000发动机B升级包获得了EASA认证。2012年5月,遄达1000发动机C升级包完成首次地面试验,将在2013年安装在波音787-9上。升级后的发动机会产生329.3kN的推力,且比B升级包的燃烧效率提高1%。该发动机的主要特色为全新轮机匣冷却系统,这会提高发动机的效率。
遄达XWB发动机是罗•罗遄达家族航空发动机中的最新型号,融合了遄达家族发动机设计的完美经验和最新技术,专为空客A350XWB系列飞机量身打造。遄达XWB 风扇直径约为300cm,是目前燃油效率最高、对环境影响最小的一款大型涡扇发动机。相比于之前推出的遄达系列发动机,其耗油量降低了28%[3]。遄达XWB得益于下一代减声模式消散发动机导管系统以及在A380上开发的零拼接进气口设计和吊舱进气口发动机降噪技术。
首先推出市场的是遄达XWB-83,推力为373.8kN,装载于A350-900XWB 上,预计2014 年上半年投入运营。之后推出333.8kN 的遄达XWB-74,装载于A350-800XWB上,预计于2014 年投入服务。最后是413.9kN 的遄达XWB-92,配置于A350-1000XWB 上,预计于2017 年投入服务。
发动机在风扇模式上有所改进。直径仍约300cm,但运转更快一些,并且创新了叶片设计。研究团队开发了新材料技术,增加了温度。遄达XWB最大的推力,已进一步上调至431.7kN,使A350XWB系列更有能力与波音777-300ER 竞争。
3 PurePower 发动机
普惠作为联合技术公司的子公司,和日本航空发动机公司(JAEC)以及MTU 航空发动机公司一起合作为A320neo 项目研发PurePower PW1100G-JM 发动机,预计于2016年开始交付。
普惠PW1100G风扇直径为205.7cm,涵道比为12,推力为106.8~146.9kN。与现今发动机相比,它在燃料消耗量、环境排放量、发动机噪声和运营成本方面都取得显著改善。以空客A320为例,换装普惠PW1100G发动机后,新机型将比现役机型在燃油消耗率上减少16%,噪声水平至少降低50%,氮氧化物排放量减少50%。
PW1100G的主要特点是齿轮传动系统与全新先进核心机技术的组合。发动机采用先进的齿轮传动系统,将发动机风扇与低压压缩机、涡轮机分离开,使得它们能够获得不同的转速——发动机风扇以一个相对较低的速度转动,而低压压缩机和涡轮机则以较高的速度运行。这样可以提高发动机效率,降低燃料消耗、排放和噪声,同时降低了一部分质量和维修的成本[4]。
除了空客A320neo系列飞机,普惠“静洁动力”发动机还被三菱支线飞机(MRJ)和庞巴迪C系列飞机选定为专用动力装置。三菱支线喷气飞机将采用推力为62.3~75.7kN 的静洁动力PW1217G发动机;庞巴迪C 系列飞机发动机PW1500G 的额定推力为93.5~103.7kN,是PurePower系列发动机核心机更大推力的版本。
不仅如此,俄罗斯伊尔库特公司MC-21飞机也选用PurePower系列发动机,PW1400 推力将达111.3~142.4kN,预计2017年投入运营。


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