1 波音777對發動機提出的挑戰
波音777是美國波音公司於1990年初提出、計劃於1995年中投入營運的大型雙發動機客機,是波音公司在20世紀推出的最後一個機型,是第1種無圖紙的飛機,也是一個冒極大技術風險的產品。
波音777的研製目的是要在投入營運之初,就具有雙發客機開通只能由3發,4發客機飛行的任意航線的能力(截至20世紀90年代初,還沒有任何一種雙發客機未經嚴格審批而具有這種能力),同時填補波音公司系列寬體客機中四發的波音747 400型(約400餘座)與雙發的波音767-300型(約200餘座)之間的空當,以便與當時的麥·道公司3發 MD11,空中客車工業公司的4發 A340、雙發 A330相競爭而發展的一種最新型號的雙發客機。
波音777的初始型號有兩種,即標準中程“A”市場型(後命名為 200型,其航程為7700km,載客量為364座)與遠程“B”市場型(為300型,其航程為12230km,298座)。1995年6月投入營運的是“A”市場型。
這兩型飛機的起飛總重分別為233.6t和267.6t,遠比當時已投入營運的雙發客機重許多。據統計,現有雙發客機中,發動機總推力與起飛總重之比約為1.4~1.7kN/t,如按最小比值計,兩型波音777客機的發動機至少應分別提供327kN 與375 kN推力。
而當時(1990年)已投入使用的發動機中,最大的推力約為270kN(羅·羅公司的
RB211-524H 發動機推力為269.6kN,普惠公司的PW4060發動機的推力為266.9kN,GE公司CF6-80C2B6發動機推力為273.6kN),顯然與波音777飛機的要求差距甚大。
根據統計、分析,一種客機投入營運後,起飛總重將不斷增加,以增加乘客座位與航程,營運10年後,飛機的起飛總重往往會加大25%左右,屆時,飛機所用的發動機推力也應增加20%~30%。
由此可以看出,波音777需要的是一種推力至少為327kN 並可增大到400kN或更大的特大型發動機,即其推力比當時最大的發動機的推力要大25%~50%。這是波音777對發動機行業提出的一個既艱鉅又富有吸引力的挑戰。
另外,波音777要在投入營運之初就能像3,4發客機一樣具有能開通世界上任意航線的能力,這就要求在飛機投入營運之時,就取得美國聯邦航空局FAA等適航當局的180min“雙發客機延程飛行”(即180minETOPS)的批准,這又是對發動機行業提出的另一個極為苛刻的挑戰。
按美國FAA的適航條令FAR規定,一種雙發客機如能獲得180minETOPS的批准,就能像3,4發客機一樣,能開通任一航線。但是,要取得180minETOPS的批准是比較難的,適航當局從保證飛機飛行安全出發,做了許多嚴格的規定,其中對發動機的規定是:120minETOPS:發動機累計工作時間超過25萬小時,空中停車率低於每千小時0.05次。180min ETOPS:獲准120minETOPS後已工作1年,空中停車率低於每千小時0.02次。
而波音777要在投入營運之初即獲得180minETOPS批准,即要越過以往需費力越過的兩個大臺階一蹴而成,可以想象它的難度有多大。因此,研製出可靠性極高的發動機,是波音777對發動機行業提出的第二個苛刻挑戰。
2 迎接挑戰研製新型發動機
西方三大發動機公司分別為波音777研製了各自的發動機,它們是:普惠公司的PW4084,羅·羅公司的遄達800和GE公司的GE90。
國際上有兩種發展新型、大推力發動機的途徑,即全新設計與衍生發展。為波音777研製的3型發動機中 GE90採用了全新設計,而PW4084、遄達800則採用了衍生發展的途徑。
2.1 全新設計的研製途徑
全新設計的發展途徑是根據既滿足飛機目前所要求的推力,同時又考慮到今後發展需要增大推力兩方面的要求,不受原有發動機的約束,從循環參數的選擇到部件結構設計均以滿足設計目標而走的一種較優化的研製途徑。
GE90採用了全新設計的途徑,當然所謂全新設計,是指發動機整體設計是全新的,發動機的主要組件、部件仍然是在該公司研究成果的基礎上發展來的。
例如高壓壓氣機是直接利用E3節能發動機的設計按1.69倍放大而成的,雙環腔燃燒室的設計也是利用了 E3節能發動機的成果,寬弦複合材料的風扇葉片吸取了 GE36驗證機的經驗,渦輪葉片的 Rene’N5單晶材料與渦輪盤的 Rene’88DT粉末材料是在CF6-80E1、F110民軍用發動機上已成功使用的材料。
採用全新設計所受約束較少,可以獲得較廣的推力範圍以及較好的性能,但要擔當一定的技術風險。
GE90的循環參數與尺寸完全按滿足波音777及其發展型所需而選定的,因此其性能及發展潛力均較好,尺寸也最大,它的風扇葉尖直徑為3.124m,比用於波音747的發動機大0.7m左右,加上包容環的厚度,發動機短艙的最大高度達4.178m,可以毫不誇張地稱它是當今世界上最大的發動機。
2.2 衍生發展
衍生發展大推力發動機的途徑,是在現役的較好的發動機基礎上,在高壓部件(高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪)基本不作改動的情況下,對風扇、增壓壓氣機(或三轉子發動機中的中壓壓氣機)與低壓渦輪進行改動來達到的。
在衍生改進發展中,為了增大發動機推力,只能從增大流入發動機的空氣流量與增加總壓比來達到。
對於前者,首先用增大風扇直徑來增加進入發動機的空氣量。另外,再增加增壓壓氣機的級數,使流入高壓壓氣機入口處的空氣壓力提高,加大進入核心機的空氣流量。
對於後者,在高壓部件不動的情況下,也是用增加增壓壓氣機的級數來達到的。當然,此改進的結果是風扇與增壓壓氣機所需傳動的功率加大,這隻能用增加低壓渦輪級數來達到。
這種用衍生改進來提高發動機推力的發展途徑,三家發動機公司均採用過。例如,用於 A330雙發客機的3種發動機遄達700、PW4168和 CF680E1均是在各自公司為波音747-400、波音767-300等發展的發動機基礎上加大風扇直徑,增加增壓(或中壓)壓氣機級數與低壓渦輪級數,使空氣流量、總壓比提高而達到的。
遄達800、PW4084採用了衍生發展途徑。遄達800是在羅·羅公司遄達700型發動機基礎上衍生發展的,而遄達700又是由 RB21122B型發動機經過 524、524B、524C、524D和 524G/H等型號系列衍生改進來的。在遄達800設計中,中壓壓氣機為8級,低壓渦輪由3級增加2級成為5級,風扇直徑為2.794m(加大了0.604m)。
PW4084則是PW4000系列發動機衍生發展的。4084型在 PW4168型的基礎上將風扇直徑由2.540m加大到2.844m,用無凸肩寬弦空心葉片取代了原有的帶凸肩窄弦實心葉片,低壓壓氣機6級,低壓渦輪7級(增加2級),表1列出普惠公司採用衍生發展途徑發展用於A330、波音777客機的新發動機的有關數據。
表1、採用衍生發展途徑的新發動機有關數據
採取衍生發展時,發展速度較快,初始的可靠性較好,但循環參數受到原型機的限制不一定最佳,且推力的發展將受到核心機尺寸的限制。
由於核心機未改動,低壓傳動軸的直徑受到限制,因此如果要進一步提高發動機的推力,只能藉助用減速器驅動更大直徑風扇的辦法,這就是所謂的先進涵道推進器(ADP),其推力可超過400kN。目前普惠公司正在用PW2000發動機的核心機試驗 ADP。
採用衍生發展的方式,明顯減小了技術風險,縮短了研製週期。1995年年中波音777客機首次投入營運時採用PW4084發動機,就說明了這一點。
2.3 兩種發展途徑的比較
用於 A330的3種發動機(CF680E1、PW4068和遄達700),推力均已大於300kN,可以以這些發動機為基礎,再加大風扇直徑、增加增壓壓氣機級數,來增加推力以滿足波音777的需要。
從技術觀點看,這種衍生改進途徑在一定推力範圍內是可行的,普惠與羅·羅兩公司即走了這一途徑,但 GE公司在做了全面分析後,選擇了全新設計的發展途徑。這是因為採用衍生發展時,推力的增加將受到高壓部件盤心尺寸的約束而受到限制,滿足不了波音777日後向更大的起飛總重發展時的需要。
如前所述,在衍生改進時,是用加大風扇直徑與增加增壓壓氣機級數達到的。從表1列出的普惠公司為波音777發展的發動機與用於 A330的發動機比較表可以看出,風扇直徑由2.535m增至2.845m,增壓壓氣機級數由5級變為6級。
風扇直徑加大,必然要降低風扇、低壓渦輪的轉速(以維持風扇葉尖切線速度不變),如傳動風扇的功率不變,軸上所受的扭矩必然加大。何況當風扇直徑加大、增壓壓氣機級數加多,必然使傳動風扇所需的功率增加,因此,由這兩方面原因造成由低壓渦輪到風扇的傳動軸所受的扭矩要大幅度增加。
為保證傳動軸有足夠的強度,勢必要增加傳動軸的外徑,但是由於高壓部件不能變,高壓壓氣機、高壓渦輪的盤心孔徑限制了低壓轉子傳動軸外徑的加大,這樣,就限制了推力的加大。也即在採用衍生改進來提高發動機推力的途徑,在推力達到一定程度後就會受到限制。
在全新發展中,設計之初考慮到今後發動機推力增長的趨勢,就可在發動機總體結構設計中予以安排,推力有較大的增長潛力,能較好地滿足飛機繼續改進的需要。
GE90的推力最後在 GE90115B中達到創世界紀錄的 547.6kN(用於波音 777300ER時額定推力為513kN),成為波音777300ER唯一採用的發動機這一事實(普惠、羅·羅的發動機推力均未達到)說明全新發展途徑的優越之處。
發動機性能特別是經濟性的好壞,在很大程度上取決於循環參數(涵道比、總壓比等)的選擇。
從這個意義上看衍生改進型涵道比、總壓比兩個循環參數比全新設計者要小,這是因為靠加大風扇直徑提高涵道比的辦法如上所述,受到低壓轉子傳動軸直徑的限制不可能太高。
另外,在高壓部件不動的情況下,靠增加增壓壓氣機的級數來達到提高總壓比的辦法效果不十分大。
因此,在3種用於波音777的發動機中,全新設計的 GE90涵道比與總壓比最大,分別為8.4與39.3(PW4084分別為6.41與34.4,遄達800為6.21與36.0)。涵道比大推進效率高,總壓比高熱效率高,因此,GE90的耗油率比其他兩型發動機約低2%~4%。
綜上所述,全新設計的發動機,推力增長的潛力大,能滿足波音777今後改進的需要;經濟性好,能給航空公司帶來較好的經濟效益。
2.4 三型發動機的取證
為波音777研製的三型發動機均按計劃取得 FAA的適航證,並基本按預定時間投入航線營運。表2列出該三型發動機取得適航證時的參數。
表2、用於波音777三型發動機主要參數及取得適航證時間
為了使用於波音777的發動機獲得優良的性能與高的可靠性、好的維修性,這三型發動機在設計、發展中,均採用了許多先進技術,進行了廣泛而嚴峻的試驗。
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