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长篇综述:群雄角逐波音7E7的发动机

http://jczs.sina.com.cn 2004年05月08日 09:37 《国际航空》杂志社

  世界三大发动机公司都参加7E7的发动机竞争,普惠公司将研制一种核心机尺寸与PW2000的相当的发动机,GE公司将在GE90的基础上研制缩小尺寸的发动机,而罗-罗公司也将研制遄达900的改型发动机。为达到波音公司对经济性和环保方面的要求,三家公司都在研究和试验相关的新技术

  今年年初,波音公司宣布将研制一种以高效益为特点的250座级的波音7E7飞机,它是一种高燃油效率的宽体飞机,而且在同一级飞机中也是一种噪声和排放最低的飞机。围绕波音7E7的特点,世界三大发动机公司纷纷提出各自的发动机方案参加竞争,罗-罗公司还在今年的北京航展上介绍了他们的发动机方案和有关的新技术。

  普惠提供尺寸与PW2000相仿的发动机

  普惠公司为波音7E7提供的发动机是一种推力为302~307千牛、总压比为50左右、涵道比为10的双转子对转发动机,其尺寸与PW2000发动机的相当。目前该发动机暂定名为PW-EXX。普惠公司计划明年第三季度正式启动PW-EXX计划。为使发动机投入使用时达到完全成熟,普惠公司计划延长试验阶段3个月,并通过缩短详细设计阶段来保证研制进度。

  为达到波音公司关于波音7E7客机推进系统性能和拥有成本的目标,普惠公司提供的基准型发动机将采用已验证的部件技术和先进制造技术。

  这种发动机的主要特点包括,风扇直径为2.84米,其上的24个宽弦空心风扇叶片将采用先进的气动设计技术,并将利用在GP7000发动机项目中发展的高效叶片制造技术来制造;高压压气机将以F119军用发动机上的压气机为基础设计,前4级或前5级压气机可能采用整体叶盘结构,这项技术将减少零件的数量,并降低发动机的成本;风扇/压气机转子可能采用钛合金材料;在压气机设计中,普惠公司将利用最新的三维气动设计方法以保证压气机的稳定性等。

  发动机的研制要考虑环保方面的要求,包括降低噪声和污染。为有助于减少NOx排放,普惠公司计划在"泰龙"燃烧室技术基础上对燃烧室进行改进。目前,"泰龙"2号技术可满足现有CAPE标准,普惠公司的目标是利用"泰龙"3号浮壁技术使NOx排放减少45%~50%,以满足CAPE4的标准。普惠公司将与德国MTU公司一起用一台PW6000发动机验证这项技术。

   2级高压涡轮的工作温度将比目前普惠公司所有民用发动机的都高,因此发动机可在保持低流量的同时提高核心机的效率。为达到更高的工作温度,高压涡轮的转子叶片和导向器叶片都将采用该公司的"超级冷却"技术。为减少冷却要求和提高效率,在发动机设计中,普惠公司还将采用对转高、低压涡轮设计技术。对转涡轮的基础设计已在PW6000上得到验证。控制技术可能采用在PW4000和PW6000发动机上采用的技术。

  为保持发动机的性能,普惠公司将增加有助于自主诊断和保持发动机性能的系统和传感器。另外,为在远距离获得发动机的运行数据,普惠公司还将采用可进行内置检查的无线系统,这种系统在工业上已得到应用。所有这些技术用于7E7的发动机后都将有助于减少发动机的维护成本和延长发动机的在翼时间。

  目前,普惠公司正在研究7E7的发动机如何满足ETOPS要求。为实现目标,该公司将在该发动机投入使用前在一架波音747飞行试验台上检查该发动机的飞行操纵性。这项160小时的飞行试验将包括采用"性能恶化"的发动机试验,所谓"性能恶化"的发动机表示发动机达到了其寿命的末期。由于7E7是一种远程飞机,因此,耗油率是飞机推进系统研制时的重要考虑因素。

  普惠公司说,7E7的发动机将在发动机首次试验后约9~12个月开始飞行试验。但该公司可能会加速这项工作。发动机可能在启动后11个月开始首次台架试验。

  除发动机的飞行试验外,普惠公司还将在美国空军的阿诺德工程发展中心进行7E7的发动机的高空模拟试验。在投入使用前,7E7发动机的累计试验时数将达到相当于15000个飞行循环。

   GE公司提供缩小比例的GE90发动机

   GE公司为波音7E7提供的候选发动机将以缩小比例的GE90核心机为基础设计,并将采用高部件效率、低噪声、低污染、简化维修与后勤保证的新技术。为获得这些技术,GE公司根据Gen X项目,正在位于纽约州的GE全球研发中心的设备上及在美国、欧洲和中国的大学进行许多初步研究工作。据GE公司称,Gen X项目下的高压压气机目标是性能提高2.5%,而且Gen X的耗油率已比GE90发动机的低7.3%。

  预计这种新发动机的风扇叶片将采用三维气动技术设计,是一种高流量后掠型叶片,用复合材料制成,以达到高的效率和低的噪声;风扇机匣将用轻重量的复合材料制造。目前,GE公司的研究中心正与波音公司一道工作,以便研究与验证叶片的可行性。该发动机的增压级的叶片可能采用新铝合金制造。

  压气机将是一种高工作负荷的压气机,与在GE90发动机上的压气机类似。GE公司为此正在研究2种压气机:一种是压比为23的压气机,另一种是稍增大压比的压气机。预计2种压气机都将具有高的效率。

  高压涡轮的研究也在进行,并取得了大的进展。目前,GE公司为它的Gen X发动机研究2级高压涡轮。

  燃烧室是为CFM56系列发动机研究的双环形预旋技术燃烧室的改进型。根据NASA发起的计划,GE公司最近进行了双环形预旋技术燃烧室试验,这是一种GE90级发动机的燃烧室尺寸。试验结果表明,它能使NOx比现有规定低约36%。这些试验是今年2月完成的,所获得的结果类似于CFMI公司得到的结果。

  为降低发动机噪声,GE公司的技术小组也在研究喷气噪声问题,而且公司还与辛辛纳堤大学的研究人员共同研究应用流体技术以使7E7的发动机起飞噪声降低1.5分贝。流体技术的优点是取消了除起飞外的所有飞行状态下通常会降低飞机工作效率的重的复杂的喷管。在GE公司的全球研究中心还在进行喷气流混合和最后降低噪声方法的研究。在该研究中心,研究人员正准备研究形状记忆材料,这种材料和其结构将在各种状态下改变其形状,以使工作最佳化。目前正在进行讨论和评论,研究工作将在近期进行。

  GE公司在设计7E7的发动机时,采用的压气机压比比现有典型发动机的压比要大的情况下,公司也会考虑采用能承受更高负荷(15%~20%)的轴承系统,这种轴承系统的结构重量稍稍增加。为此,GE公司可能采用具有高强度、轻重量的氮化硅滚动件的轴承。

  在材料研究方面,陶瓷基复合材料作为燃烧室和涡轮的可能材料也正引起研究人员的兴趣。CFMI公司(GE与斯奈克玛的合资公司)在试验装有陶瓷基复合材料制造的燃烧室的推进系统。这种材料将减少冷却空气需求量、提高效率和减少NOx排放物。陶瓷基复合材料也可用于涡轮,特别是涡轮导向器叶片,也可用作转子叶片。实际上GE动力系统公司在地面动力系统上采用了这种材料,并已累计进行了约500小时无故障工作。从这些试验中取得的教训可直接用到航空发动机上。为使发动机性能最佳化和预测与管理发动机的维修,GE公司也在广泛研究智能系统。

  其他方面的研究还有:研究用现有传感器组件仔细检查排气燃气温度、如何监控并使发动机污染最小和燃油耗消最少;开发调整发动机维护和翻修跟踪程序的软件,GE公司希望知道发动机的几乎每个部件的概率寿命,以便能准确跟踪每个部件还有多长寿命。过去几年里,GE公司一直在研究这些程序,预计这将大大有助于航空公司降低他们的维修成本;研究故障发生前可使维修人员预测故障和服务于发动机的预测系统,这方面的工作可能在2年内完成,在3~5年可能进入服务。

  波音公司要求7E7飞机在2008年投入使用,因此,新发动机必需在2007年取得适航合格证。为此,GE公司计划推进技术的研究和成熟计划将在2005年完成。

  罗-罗研制遄达900的改型发动机

  罗-罗公司在波音7E7的发动机上采用的新技术将取决于飞机投入使用的时间和罗-罗公司是否验证了这些技术的成本效益。据罗-罗公司的工程和技术董事称,在目前的环境下,他们将提供可达到波音7E7有效载重、航程、耗油量、环保和拥有费用目标的技术。罗-罗公司民用航空总裁说,环保和寿命期费用是波音7E7的发动机的关键。罗-罗公司通过调查认为:美国和日本的潜在客户要求飞机具有良好的经济性,而欧洲客户要求的重点是环保。无论是美国客户还是欧洲客户,他们需要的是一种低风险发动机。

  基于以上调查和分析,罗-罗公司为7E7提供的基准发动机是一种推力为276~303千牛发动机,其涵道比为10.5~11,这有助于降低噪声和提高燃油效率;核心机是遄达900的缩小型;风扇直径为2.87米,也是遄达的缩小型,因此,这种发动机实际上是遄达900的改型。该发动机气动方面的改进包括减小叶尖损失和增加部件效率的涡轮叶片。由于研究这些部件需要投资,所以,罗-罗公司的7E7发动机小组现还未确定改进发动机的高、中、低压涡轮的哪个涡轮。目前,罗-罗公司暂定名该发动机为RB262。

  罗-罗公司特别强调,研制7E7的发动机最重要的是成本和风险,如果更为先进的技术能及时得到验证,他们就会直接用到新发动机上。为此,罗-罗公司正在可负担得起的近期低污染(ANTLE)计划中探索先进技术。

  ANTLE是一项由罗-罗公司领导的英国贸易和工业部支持的计划。目前与ANTLE相关的试验有高负荷高压比的具有整体叶盘结构和可减少级数的压气机、先进的低污染的燃烧室和对转的低压涡轮。虽然目前采用ANTLE技术的完整的发动机还没有试验,但罗-罗决定用一台改进的遄达500发动机作为验证ANTLE技术的发动机平台。

  预计,最后的ANTLE的高压压气机是一种带整体叶盘结构的5级高负荷结构。这种压气机可大大增加压比和完成类似6级压气机完成的工作。正在研究中的燃烧室是一种贫油预混合直接喷射的单环形燃烧室。这种燃烧室可大大增加流过燃烧室的空气以使空气-燃油混合贫化,并且在燃烧室中还能有效的分级燃烧,这类似于典型的多环形燃烧室。燃烧室试验件试验已验证了地面点火和燃烧图普系数。罗-罗公司对此燃烧室很满意,火焰稳定性也好。罗-罗希望在ANATLE发动机上试验这种燃烧室前在它的整个飞行包线内验证所有功能。为达此目标,罗-罗公司的工程技术人员将继续进行高压燃烧试验和稳定性试验。燃烧室试验的目标是验证NOx排放达到CAPE2污染极限的40%。由于7E7的发动机设计可能在明年年中确定,所以,在ANTLE燃烧室能得到验证前,技术人员不能保证这种燃烧室就是7E7发动机的一部分。实际上,这项技术是否是7E7所需要的还不清楚,因此,这项研究是有风险的。

  另一项在ANTLE下研究的技术是与高压涡轮对转的中压涡轮,这种涡轮可减小导向器叶片的尺寸,也可减少其损失。但这种涡轮的气流流动复杂,不可能用到早期的遄达900上。罗罗公司计划不将它加到ANTLE发动机上,只用试验件验证其技术。

  在ANTLE上探索的其他技术是冷却的变能力的中压涡轮和主动磁性轴承。研究人员正在考虑通过改变中压涡轮导向器喉道面积来改变中压涡轮的能力。这将减小中压涡轮的载荷,最后减少其级数,也导致取消中压压气机可调级,从而减轻发动机重量和复杂性。在发动机运行中,如果轴承监控系统感受到发动机的低压轴偏离了中心,通过在轴承上加入磁能的主动磁性轴承能使失控的轴回到原来位置。据称,采用这种轴承有助于取消复杂的滑油系统,更为重要的是可在低压轴上增加发电机,简化现有发动机的发电系统的机械复杂性。

  在7E7上电功率要求很大,可超过1千瓦,因此,在发动机后部或低压轴或中压轴上将采用一个备选发电机。将发电机与低压转子相连可以取消多余的高价的通常在应急状态下采用的冲压空气涡轮。同样,将发电机与中压转子相连可使中压系统减轻负荷,使风扇转速降低,导致减少叶片数和提高效率。

  为降低噪声,罗-罗公司在进行两项研究计划。第一项是与波音公司一起进行的低噪声技术验证机计划,主要研究齿形喷管和先进的消声衬套,并于2001年在波音777上进行了飞行试验,2002又在罗-罗公司进行了试验,结果表明喷气噪声降低了4分贝,风扇噪声降低了13分贝,而目标分别是3和7分贝。另一项是由空客、ITP、斯奈克玛、几家研究所和大学一起进行的计划,其试验件试验在进行中,接下来要进行飞行试验,主要集中研究降低噪声、喷管处理和改进进气道。(摘自:国际航空2003第12期/总第490期)

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