波音公司“更电动化的”787梦幻航线促进引擎技术的发展

作者：Joseph Ogando    来源：Design News

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 在787飞机上，波音公司不再使用引气系统，而是重点依靠电动启动发电机 对商务航空公司来说，喷气引擎倾向于进化式发展而不是革命式发展，这是飞越太平洋远程飞行中最受青睐的一种发展道路。在很多方面，波音787梦幻飞机两种处于竞争中的引擎平台也毫不例外地遵循着这条进化式发展的规则。 GE Aviation公司的GEnx引擎和Rolls Royce公司的Trent 1000引擎都分别借鉴了自己公司以前引擎平台的设计成分。但是，这两家引擎制造商并不是在以前设计的基础上简单地按比例扩大。事实上，他们也不能那样做。波音公司对787飞机性能的要求推动引擎制造商，必须在不抛弃已经证实技术框架的同时进行创新。 波音公司最主要的一项需求是，与以前的飞机相比，必须大量降低燃油消耗。波音公司宣称，787将比同等规模的其他飞机提高20%的燃油效率。787飞机推进团队负责人Ron Hinderberger说，新引擎本身就可以提高8%的燃油效率。“我们之所以对引擎制造公司提出具有如此挑战性的燃油消耗目标，就是为了让他们制订开发计划，推动原定于2010年实现的技术在2008年就能为我们准备好，” Ron Hinderberger说。波音公司也同样降低了787飞机的氮氧化物和二氧化碳的排放目标。波音宣称，787产生的排放量将比以前同等大小的飞机降低20%以上。 在787设计过程的初期，波音公司的工程师们就决定更多地依靠电动系统，比如采用新型启动发电机并且转用无气引擎构造。这种设计有助于实现燃油消耗和排放目标，同时也可以降低飞机的长期维修成本。Hinderberger说，两家引擎制造商都提出了可以成功“混入”飞机巨大新型启动发电机和无引气构造的设计。但是每家公司进行混装的方式却截然不同。 即使对于一般工程师来讲，如果他们没有亲自参与到喷气引擎设计专业领域中，这些设计差别也能成为他们关于面向电动系统更广泛倾向的重要课程，以及成为他们在未证实技术不能被自由选用时关于面向设计优化价值更广泛倾向的重要课程。 走向电动化 787飞机被波音公司称之为“更电动化的构造” 主要是指采用了比过去任何型号都大得多的启动发电机。787上的每一引擎都豪华配备了两台Hamilton Sundstrand公司提供的250千伏安（kVA）变频启动发电机。正如名称所显示的那样，这些发电机不仅要启动引擎还要在飞行中为其他的系统提供电力。对照来看，一架767飞机却只搭载了一台120千伏安的发电机。 在787的辅助电源设备中还有两台125千伏安的发电机，波音公司可以在飞机上配载如此高电力的能力要归功于总体行业中功率密度的持续提高。Hinderberger说，787上的两台250千伏安发电机所占的空间只比15年前767飞机上的一台120千伏安发电机大一点。“15年前，如果你说‘我们用两台250发电机代替一台120发电机的吧’，那绝对是不可能的，”他说。 Hinderberger说，要提供新型发电机，两家引擎制造商都不会有困难。GE公司的一位培训工程师、负责GEnx引擎的一位总经理Melvyn Heard，把机械接口描述成“真象是一台简单的变速箱”。 但是，重要的一个不同是两家引擎公司开发启动发电机的方式。Trent 1000是一种具有独立高压、低压和中压压缩机机轴的三轴引擎，在这种引擎上，Rolls Royce公司选择把启动发电机连接到引擎的中压压缩机（IP）上。虽然该公司没有回应我们的采访要求，但他们发布了这种中压动力输出系统的功能说明，包括把中压压缩机和高压压缩机连接在一起以满足较高启动扭矩需求的一种机制。但是，据Heard说，GE公司只是简单地把其两轴GEnx引擎的高压压缩机与启动发电机相连。 Hinderberger说，由于两种设计都能满足引擎启动和发电的需求，所以波音公司对这两种方法的态度还不不可知。在启动方面，两种引擎设计都能够用两台发电机在40秒内启动，用一台发电机在70秒内启动。“我们认为，尽管一种引擎是两轴，一种引擎是三轴，但我们都把它们看作是一个提供旋转能量产生电力的变速箱，” Hinderberger说。至于从引擎抽取功率是怎样影响其工作负载循环（在闲置、起飞、爬升和巡航的过程中）的，波音公司则把这个问题完全交给引擎制造商处理。“他们对此也一直守口如瓶，” Hinderberger说。 不再使用引气 波音公司更电动化的构造促成的引擎方面的最大变化就是取消了引气系统。现代化的喷气式引擎通常是“吹出”热压缩空气并且把这些空气用于机翼除冰、运转气动执行元件和为客舱增压等之类的有益工作。在带着150万瓦电力到处飞的787飞机上，原先需要引气系统所做的工作现在可以由电动压缩机完成了。 在航天领域，无引气引擎的好处仍然是一个争论的话题。但是，Hinderberger认为，无引气构造具有不可替代的优势。一个优势是引擎本身的效率提高。“当你使用来自引擎的引气时，的确会产生燃油经济成本，” Hinderberger说，但他又补充说，增加新的系统来做原先引气所做的事情也会影响飞机的整体燃油消耗。“如果你极力想刨根问底的话，这条道路结果将会是非常曲则，”他说。“但是我们完全可以说，无论任何时候少从引擎抽取引气都是对引擎有好处的。” 燃油经济性并不是无引气构造的唯一好处。无引气引擎省却了飞机上大量的气动部件，这些部件既占重量也需要维修。“我们一直以来能做的就是去掉大量的线路可替换装置，这些装置通常会随着时间的延长成为一架飞机反复维修成本的主要部分。能够从航空公司的帐薄上去掉这部分费用会是一个巨大的好处，” Hinderberger说。然后再想想去掉的与引气相关的引气导管和管道工程。“你所得到的是一个具有巨大实用性的引擎，”他说。 当然，并不是每个人都相信无引气引擎是唯一出路。“在引气问题上，我们保持中立，”Heard说。他坚持认为两者的性能表现没有差别。与无引气引擎Trent 1000不同，GEnx引擎平台既有引气配置也有无引气配置。说到即将上市的飞机，空中客车（Airbus）公司的A350和波音公司自己的新型747也将采用引气式引擎。 设计优化 引擎制造商为787飞机所做的努力不只局限于对新型启动发电机和无引气构造方面的调整。当GE公司和Rolls Royce公司不能够在他们的787引擎上采用完全没有被证实的技术时，他们仍然设法通过优化和提高原有技术实现了明显的性能改善。比如说，GE的引擎就是大量沿用了GE90型引擎的技术，虽然GE公司也通过材料和燃烧室的革新取得了一些重量和效率方面的收获。 但是，总体来说，两家引擎制造商都“对他们的空气动力核心部分中的所有元件进行了优化和调谐，” Hinderberger说。这方面的很多工作都与波音公司机身优化的目的相一致。“引擎制造公司与波音公司进行合作，一起调整引擎的热动力循环。每当引擎制造公司选择一种创新的设计方法时，我们都会预测其重量、阻力和燃油消耗，并且把这些与飞机进行匹配，”他说。“我们会一直集中精力进行调整，直到我们说‘搞定了’为止。” Hinderberger发现，关于优化工作比较有趣的一件事情是，优化所产生的两种发动机大小和形状都很相似，尽管在核心设计部分区别很大。“整体的风扇直径非常接近，相差只有一英寸左右。如果看装载在飞机上的引擎，从整体外形上你是不会看出多大差别的，”他说。 那么，会不会有哪一种引擎性能更好呢？“有点区别，”Hinderberger承认说，但他又补充说，差别只在某些地方，也就有小数点以后位数的差别量。“在我们心目中，感觉两种引擎都符合作为787引擎的要求，都能为航空公司带来经济利益，”他说。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/6/2007)