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齿轮传动与开式转子发动机:下一代民机动力的优先选择

2016-04-20 21:08:18 同步带轮|齿轮|斜齿轮|伞齿轮|定做加工生产厂家-凯迪斯泰 52


    AerospaceWorld齿轮传动与开式转子发动机:下一代民机动力的优先选择

    出于对燃油经济性和绿色环保产品的不懈追求,普惠、罗罗和GE等世界著名发动机制造商均在已有产品体系框架下不断尝试推出新型发动机产品,以满足时刻变化的市场需求。

    这些产品以传统发动机构型为基础,通过引入架构上根本性的变化,极大地提高了发动机燃油效率,有些产品已经成为了下一代民用飞机动力的优先选择。

    齿轮传动发动机:强化风扇效率 优化发动机油耗噪音


    齿轮传动发动机(GTF)是传统双轴发动机的一种衍生型,其不同之处在于发动机风扇与低压涡轮转子之间加装了减速齿轮传动系统,具体位置位于风扇转子之后;通过该齿轮系统的变速衔接,可以使风扇和涡轮在各自最优工作转速情况下运转,从而达到整机性能优化的目的。

    从最早的美国霍尼韦尔公司TFE731、ALF502系列发动机产品,到普惠公司最新研发用于单通道客机的PW1000G系列发动机,均为GTF的典型代表。

    随着现代高性能涡扇发动机涵道比的不断增大,风扇叶片直径呈现增加趋势;尽管低压转子的转速没有明显增加,但风扇叶尖直径速度依然不断得到提高。当风扇叶片叶尖切向速度达到跨声速时,将引起风扇效率的急剧下降,从而表现为整机性能衰退,且不利于压气机的喘振防护。

    GTF的出现从根本上解决了这一问题。由于风扇齿轮箱的存在,压气机和涡轮可以在很高转速下独立运转,充分利用航空煤油燃烧后化学能的释放和压气机对内流空气的做功;当能量通过齿轮箱减速增扭传递至风扇后,可以进而对外部空气做功,产生发动机所需推力。通过预先设定的齿轮箱传动比,可以将风扇转速控制在所需范围内,从而避免风扇叶片叶尖切向速度达到声速。

    普惠公司将这一构型的PW1000G誉为下一代单通道客机动力单元的“游戏改变者”,并对其航线表现寄以厚望。事实上,从空客A320 NEO、庞巴迪新一代C系列、巴西Embraer公司下一代“E系列”以及日本新一代支线客机MRJ飞机独家选取PW1000G发动机作为动力单元的现状来看,人们有理由相信GTF将以优异的表现重新回到支线客机和单通道客机市场。

    根据发动机设计原理,随着发动机涵道比的增大和风扇转速的降低,发动机的整机油耗和噪声均得到改善;因此,同等技术水平下GTF的噪声和油耗均优于涡扇发动机。

    普惠公司的分析表明,对于装配有GTF的单通道客机来讲,可帮助飞机相对现有同类机型降低15%的燃油消耗,在相比CAEP/6标准具备50%排放裕度的同时每年减少3600吨氮氧化物排放。同时,相比传统发动机,GTF在涵道比、噪声、油耗方面的整体表现以及飞机起飞时噪声测量数据,都要低于传统发动机。

    GTF的另一大优势是具备了充足的性能裕度。在必要条件下,可以使发动机的性能表现得到跨越式的提升。依据发动机设计原理,追求更低燃油消耗率和推力表现的一种普遍技术途径为不断提高压气机压比和燃烧温度,并相应提高转子转速来满足发动机控制律要求。

    这一实质上提高热机效率的举措所带来的负面影响便是需要在热端部件采用更加耐高温的材料,或在材料不变的情况下适当增加发动机二次空气系统间冷却气体的流量。此时,发动机材料的安全裕度在高性能内部参数面前退化到最低接受程度,虽可以确保在一定时期内发动机的可靠运行,但发动机自身性能改善裕度已所剩无几,并增加了长时间运行后发生故障的风险。

    GTF则选择了另一条技术途径:通过提高低压系统效率来提高整机的推进效率。具体表现为:通过减速齿轮箱的衔接,可以保持低压转子在高速优化转速下运转,同时确保风扇在低转速、高效率下工作,在保持材料安全裕度的同时达到高性能表现。一旦通过新材料升级和设计技术改善等措施,GTF的性能可以再次得到提升。

    当然,这同样会面临前一种技术途径所需承担的风险,是否需要进行性能升级,最终由客户需求和市场前景来决定。

    开式转子发动机:开放式风扇 提升发动机燃油经济性


    开式转子发动机(Open Rotor)是可以满足下一代民用飞机动力需求的潜在备选方案之一。不同于传统涡扇发动机,该类型发动机的风扇(叶轮)没有短舱包裹,而是直接延伸至气流之中。尽管这类发动机的最佳巡航速度慢于涡扇发动机,但对于飞行时间通常不超过2小时的单通道客机(如B737、A320等)来讲,额外增加的旅程时间不会超过10分钟。

    相比同等推力等级的涡扇发动机,开式转子发动机在改善燃油经济性和降低二氧化碳排放方面具备极大潜力。涡扇发动机通过不断增大风扇直径和涵道比来达到逐步降低油耗的目的,但同时造成发动机重量、迎风阻力的同步增加。开式转子发动机则彻底摆脱这一限制,通过移除短舱可以实现极高的理论涵道比设计,其燃油消耗率可降低25-30%;对于发动机制造商来说,这个极具变革性的数字将成为对航空公司发动机选型谈判时最重要的筹码。

    为进一步提高发动机的推进效率,使气流通过叶轮后产生更为直接的推力,开式转子发动机第一排叶轮后面通常设置有第二排反转叶轮,但同时也为该类型发动机的设计带来了众多技术挑战:一是失去了短舱的包容性结构和消声设计特征,发动机的叶片断裂保护和噪声处理更为困难;二是叶轮变距机构的设计极为复杂;三是发动机叶片在较高飞行速度下效率明显下降,这也是目前该类发动机难以用于远程高速客机的重要原因。

    随着已有机队老龄化和中国、印度、拉丁美洲等新兴航空市场的崛起,预计2032年左右全球航空市场所需单通道民用飞机超过29000架,其中新飞机超过15000架;这些新机型的投放将带来1万亿美元的潜在市场。然而,对于下一代单通道民用飞机的一个重要需求便是,飞机的经济性需要提高10%-15%。这便给开式转子发动机等新型产品的研制带来了绝佳的契机。根据风扇位置的不同,开式转子发动机可以分为推进式和拉进式。前者风扇安装在发动机后部,后者风扇安装在发动机前部。理论上讲,开式转子发动机可以装配单排或双排叶轮;但有意思的是,通常拉进式机型设有单排风扇,而推进式机型则设有双排对转叶轮。在同样推力等级需求的情况下,推进式发动机更易于采用直径或转速更小的风扇设计形式;风扇直径减小直接给飞机-发动机集成带来了便利,而转速降低则有利于发动机的噪声抑制。



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