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普惠发动机未来或将引入反流倾斜式设计?
作者:普惠静洁动力
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普惠公司在创造与发明方面具有令人自豪的传统。从1925年的首台黄蜂发动机到今天改变行业游戏规则的静洁动力齿轮传动式涡扇发动机,普惠开发了许多领先技术、为动力行业带来改变。

我们的工程师从未停止寻求创新。在这里,我们与您分享2015年3月26日美国航空周刊与航天技术网站上发表的一篇文章。您可以了解美国国家航空航天局与麻省理工学院宣布的未来飞机新概念。普惠公司及联合技术公司研究中心参与此项研发。

当未来飞机的设计师越来越寻求超越传统的管翼构型以期达到2030年以后的高效目标时,人们在飞机与发动机一体化的关键领域已开拓出了新的疆界。

从凹槽式进气道到靠吊舱固定的翼上发动机布局等不同寻常的特征已成为风洞中的常见景象,但即便是经验丰富的研究人员也对普惠提出的一种全新发动机结构感到惊讶。这一理念不仅从结构上将推进器与燃气发生器分离,而且将核心机反向并呈一定角度安装。这一新颖的布局旨在解决由美国国家航空航天局(NASA)与麻省理工学院(MIT)正在研究的诸如D8双气泡飞机概念等全新机体构型所带来的发动机安装问题。

D8双气泡飞机是以2035年左右投入使用的NASA N+3代飞机为性能目标,设计比当前的窄体客机至少降低60%的燃油消耗。这一性能飞跃背后的秘密是将发动机并排布置在扁平化机体宽大尾部的上方。除了能够提供一个干净的高展弦比机翼降低阻力外,这一构型还能使发动机再利用流过机体表面的低速边界层气流(译者注:亦可作“附面层”),从而提高效率。

不过这一构型也带来几个问题。发动机与机体上表面距离过近,使得风扇必须在吸入边界层时对流动畸变有足够的容忍裕度。由于预想用于D8的发动机涵道比至少要达到20:1,风扇的尺寸也将会很大,同时还要实现比目前第4阶段噪声限制低52 EPNdb(可感噪声分贝)的极低噪声目标。在NASA进行的缩比试验已经显示,由联合技术公司研究中心开发的抗畸变风扇能够应对边界层的挑战,但其他关键问题仍然存在。

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随着发动机核心机的效率与工作压比越来越高,其尺寸也越来越小,与随涵道比增加而变得巨大的推进器相比已越发不成比例。这使得高压压气机的出口叶片的高度达到0.5英寸甚至更小。在如此小的尺度上,不仅使得叶尖间隙难于维持,而且核心机内也很难有足够的空间安装连接风扇和低压涡轮的驱动轴。此外,由于核心机的长径比越来越大,设计者面临发动机主轴挠曲的问题,而这又会对间隙控制产生进一步影响。

普惠公司技术与环境副总裁艾伦•艾伯斯坦(Alan Epstein)表示:“我们由此产生了将核心机反向安装的突破性想法。”空气仍然正常通过风扇进入发动机,但与之前直接进入压气机不同,空气通过外侧通道到达核心机的后面,再从相反方向进入。这种布局与加拿大普惠公司的PT6发动机类似,空气从后向前流经发动机,燃气通过动力(低压)涡轮后向前排出,涡轮再通过一套齿轮系统连接到风扇。涡轮、齿轮箱和风扇的连接将通过“一个相当短的轴,而且由于核心机并不与动力部分相连,可以很方便的将核心机卸下进行维修”,艾伯斯坦解释到。

这一方案还解决了另一个问题。这种类似在D8上应用的嵌套式发动机无法满足美国联邦航空管理局(FAA)目前适航标准中的“1/20”准则,这一准则规定发动机在发生非包容失效时碎片只能有1/20的概率穿出从而导致另一台发动机也失效。而在这一方案中由于核心机与推进器不再通过机械相连接,艾伯斯坦指出:“设计者想出了可以让核心机彼此之间呈一定角度来安装的绝妙方式。”

艾伯斯坦说道:“它们的安装角度可以达到大约50度,核心机的出口也通过一个偏转50度的引气管道与动力涡轮相连。这样,两个核心机间的角度就超过了90度,这在几何结构上很容易实现。这也让我们能够获得更大的涵道比,而且如果只是偏转核心机气流的话对主气流的影响也不明显,压力损失也很低。”

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普惠希望为未来的研究勾勒一个路线图,可能与NASA一道进一步确定其结构形式,评估与更短的进气道有关的因素,这也有助于研发下一代齿轮传动式涡扇发动机。其它关注领域还包括研究引气管道,评估其重量与温度要求,以及能否采用陶瓷基复合材料制造。艾伯斯坦表示:“接下来的问题就是如何让FAA相信这种发动机能够满足认证要求。”

对于麻省理工学院(MIT)领导的团队来说,普惠新颖的发动机设计是D8方案构型的关键因素。另一个关键因素是通过NASA的大尺寸风洞试验验证后置安装的发动机组在边界层吸入(BLI)时的效率收益。据D8项目的首席研究员MIT教授埃德•格雷特尔(Ed Greiter)介绍:“在真实构型下动力节省可以达到8%左右,这是能够将边界层吸入概念用于民用运输领域的证据。”此番表述是格雷特尔2015年1月在奥兰多参加美国航空航天学会的科学技术大会时做出的。

在传统的飞机设计中,有很大一部分动能随着机身尾部的低速尾迹和发动机的高速排气损失掉了,这也增加了对动力的需求。通过吸入和重新利用边界层气流,格雷特尔表示“BLI能够减少尾迹和排气的动能浪费。”凭借安装在机身后段上方的发动机,D8能够吸入大约40%的低动能气体。

通过对采用了边界层吸入和传统吊舱安装的“非边界层吸入”形式的D8模型成对进行风洞测试,MIT团队通过测量推进器维持相同状态时向气流输出的机械功,对边界层吸入的收益进行了定量研究。结果显示在推进器出口面积不变时,采用边界层吸入可以使所需功率降低8.4%,当流量相同时这一数值提高到了10.4%。格雷特尔表示:“这是非常明显的收益。”

MIT的技术负责人亚丽杭德拉•乌兰加(Alejandra Uranga)表示:“其最主要的效果是通过降低排气速度提高了推进效率,原因是进入推进器的气流速度更低了。D8的发动机与现役发动机如CFM56-7相比,单位推力相当但推进效率更高,这也是我们认为研究结论同样能在全尺寸发动机上适用的原因。”

乌兰加表示D8模型的测试范围覆盖8度迎角和15度侧滑角,流动状态正常。单发停车测试也并未显示出对运行中的发动机有不利影响;格雷厄尔还表示,吸入发生畸变的边界层气流导致风扇效率的损失与其所带来的收益相比“根本就不在一个数量级上”。他还补充道:“未发现任何因素能够否定D8的构型。”
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2016-3-8)
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