鲁达
文/陈光
1970 年1月,世界上第一型采用高涵道比涡轮风扇发动机的宽体客机波音747 投入运营,不仅开创了民用航空史上新的篇章,而且将航空发动机的发展历程推到一个崭新的阶段———高涵道比涡轮风扇发动机时代。
从此,不仅所有新研制的干线客机均采用了高涵道比涡扇发动机,而且一些老的客机,也用高涵道比涡扇发动机取代了原来使用的低涵道比涡扇发动机。
在最近十余年中,支线客机也逐渐采用高涵道比涡扇发动机,我国研制成功的 ARJ21支线客机就采用了CF34 10发动机。
图、通用电气CF34
波音公司与空中客车公司在近40年的时间内,发展了十余种载客量不同,航程各异的双发与四发干线客机,在各种客机中,又各自发展了载客量与航程各异的序列飞机,因此,自20世纪70年代初至今已有各型干线客机50~60种。
为满足这些客机的需要,世界上各大发动机公司发展了几十型高涵道比涡扇发动机,按推力级的大小来分,可分为五个推力级:小推力级(89~134kN)、中推力级(170~190kN)、大推力级(230~260kN)、超大推力级(300~320kN)和特大推力级(330~454kN)。
进入21世纪,为适应“绿色航空”新形势的要求,发动机则向低成本、低污染(低噪声与低排放)与更高可靠性的方向发展,以适应为新世纪研制的豪华、舒适与经济的新型客机的需要。
在这些发动机中,有用于 A380的GP7200与Trent900发动机,其推力为310~340kN;用于 A340 500 与A340 600 的遄达500发动机,其推力约为250kN ;用于波音787的遄达1000及 GEnx,其推力为250~330kN。
发动机推力的大小是按飞机要求而定的,大推力的发动机并不一定是性能最好的发动机;反之,小推力的发动机并不一定是性能不好的发动机。
当然,大推力发动机具有零件尺寸大、加工量大、试验设施要求高等特点,会增加研制难度。而小推力的发动机,在同样的设计水平下进行研制要容易些,研制经费少,周期短。
图、遄达1000
纵观从20世纪70年代初到2008年投入使用的高涵道比涡扇发动机,按照发动机所采用的循环参数与设计技术,大致可分为以下几个阶段:
(1)初期阶段:20世纪70 年代初至80 年代中。发动机总压比低,约为22~30,涵道比约为4.2~5.0,主要用于波音747200/ 300,L1011,DC 10,波音757等客机。这类发动机,基本采用了常规的设计技术、材料与制造工艺。
(2)中期阶段:20世纪80年代初至90年代初。发动机总压比约为28~34,涵道比约为5.0~6.0,主要用于波音747-400,波音767,波音737-300,A300,A310,A320 等飞机上。
此时的发动机在设计技术、材料、工艺以及调节器上均有较大的改进,例如叶型设计已由二维逐渐向准三维、全三维发展;整体焊接的压气机转子取代了螺栓连接的结构;定向结晶、单晶材料涡轮叶片以及粉末冶金的涡轮盘广泛被采用;全功能数字式燃油调节器 FADEC取代了传统的燃油调节器等。
图、CFM-56
(3)近期阶段:20 世纪90 年代初至90 年代末。发动机总压比约为34~40,涵道比约为6.0~8.0,主要用于A330,A340,波音777,波音737-700、800、900,A319,A321等飞机上。
此阶段的发动机采取了许多提高部件效率的措施,例如风扇、高压压气机与涡轮的叶片全部采用全三维设计,且风扇叶片由减振突肩的大展弦比设计改为无突肩小展弦比(宽弦)设计;为减轻风扇叶片的重量,三大发动机公司分别发展了复合材料、带芯与空心的风扇叶片;
为了制造带芯的风扇叶片,发展了扩散连接/超塑性成型(DB/SPF)的加工方法;压气机中采用整环设计的外环;刷式封严装置用于气封与油封中;采用了性能更好的耐高温材料与涂层;新一代FADEC与完善维修性设计等。这些技术不仅使发动机性能有大的提高,其可靠性与寿命也有较明显的提高。
(4)世纪交替阶段:20世纪末到现在。发动机总压比达到40~52,涵道比高达8.0 ~11.0, 主要用于 A380,A350XWB,波音787,波音7478等飞机上。这一时期的发动机,在叶片设计中采用了新一代的三维气动设计;风扇叶片采用掠形设计;复合材料已用于制造尺寸较大的风扇机匣;
低排放的燃烧室设计与完善的降噪设计使发动机不仅能满足21世纪严格的环保条例的要求,而且还有较大的裕度;高效的涡轮叶片冷却技术与智能化的发动机状态监视系统等。
在高涵道比涡扇发动机发展中,由于不断提高发动机涵道比、总压比以及部件效率,使发动机耗油率逐年降低。
以罗·罗公司的发动机为例,其巡航耗油率(单位为kg/daN·h)的变化情况从 RB21122B(1972年)的0.668,遄达800(1996年)的0.571,遄达500(2002年)的0.550,降到了遄达900(2007年)的0.528,而于2007年投入使用的遄达1000 的耗油率为0.516,即从1972 年到目前,罗·罗公司发动机的耗油率降低了22.7%,从1998 年到目前的20年内,降低了13%。