GEnx的渦輪、附件傳動機匣和發動機的雜訊

7 渦 輪

GEnx有2級高壓渦輪與7級低壓渦輪(GEnx2B中為6級)。高壓渦輪葉片用 GE公司的第2代三元流技術設計,採用先進的冷卻技術設計,並採用最新的耐高溫的材料,使冷卻用空氣量少,壽命長。

低壓渦輪葉片採用「特高升力」UHL(UltraHighLift)的設計,且用三元流技術對端壁的形狀進行設計,使葉片數少,效率提高約0.34%。

GEnx的高、低壓渦輪的轉向相反(如圖19所示),這種設計已由軍用發動機中轉用於民用發動機中。在西方國家中,F119(F 22的動力)首先採用了反轉設計,民用發動機中,用於 A380的遄達900發動機首先採用了這種設計,(遄達900中,高、中壓渦輪反轉),用於B787的兩型發動機均採用了這種反轉設計,它可減 少零件數,提高效率。

圖19、GEnx反轉的高、低壓轉子

8 附件傳動機匣

以往的大型旅客機上,座艙空調系統用的高壓空氣,是由發動機高壓壓氣機後引氣提供的,液壓系統的高壓液壓泵是由發動機附件傳動機匣上的傳動軸驅動的。

B787是第一種不採用上述方法的旅客機,它是用交流電的電動機驅動空氣壓縮機與液壓泵的,為「准全電」飛機,為此,需由發動機驅動大功率的的交流發電機。

在以往許多較先進的發動機中,都由驅動直流發電機(殲六、殲七等用的發動機)改為驅動交流發電機,由於發動機工作時,轉速變化範圍大,為了保持交流發電機輸出的電流頻率不變,均需在發動機附件傳動輸出軸與發電機間安裝一套非常複雜的恆速傳動裝置(CSD,ConstantSpeedDriver)。

CSD一般由發電機生產廠生產,並將它與發電機組成成套的「帶傳動裝置的交流發電機(IDG,IntegratedDriveGenerator)」提供飛機生產廠裝機使用。

B787採用了四台(每台250kW的)變頻交流發電機(每台發動機驅動兩台),是第一次在飛機上不採用恆速傳動裝置的交流發電機,通過機載(飛機)的恆頻轉換器,將需用恆頻電源的部分電流轉換成恆頻電流。

在「准全電」飛機上,需將發動機的慢車轉速定得較低,以便在低的發動機轉速下也能向飛機供電。

GEnx慢車轉速下的推力約為最大推力的2.6%,即慢車轉速較低。為達到較低的慢車轉速,採取了以下幾項措施:高壓壓氣機出口處在低轉速時瞬間放氣,保證有足夠的喘振裕度;修訂可調靜葉的調節規律,在慢車時關小;FADEC調節邏輯進行調定,以保持低轉速工作時的裕度等。

用於B747 8的 GEnx2B發動機,仍然採用由高壓壓氣機後向機艙空調系統提供高壓壓氣流,液壓泵也由發動機附件傳動系統驅動,因此它採用了B747的發電機。

9 防止發動機性能衰退的措施(如圖20所示)

在現代旅客機用的發動機中,一定要採取措施,能在較長的時間或較多的循環數後保持出廠的性能,即要防止性能的衰退。GEnx採取了下列防止性能衰退的措施:

(1)發動機總體結構上:採用了短、剛性好的轉子。

(2)發動機總體結構上:轉子支承簡單,無中介軸承,無懸臂支承的渦輪。

(3)採用了先進的葉尖間隙控制技術,包括高壓壓氣機,高、低壓渦輪的葉尖間隙。

圖20、 GEnx防止性能衰退的措施

(4)好的材料、冷卻與塗層,使耐久性高。

(5)風扇葉片尾緣與分流環間距大,使外物不易進入核心部分。

(6)增壓壓氣機後設有放氣活門,使外物不易進入核心部分。

(7)性能可恢復:在高壓壓氣機中設有內置式噴水清洗裝置。

10 發動機的雜訊

為滿足21世「綠色航空」的要求,GEnx除採用了大量常用的以及新發展的降噪措施外,還在外涵後端採用了如圖21所示的鋸齒型噴口,以加大噴氣流與外界空氣流的接觸面積,降低排氣雜訊,遄達1000也採用了這種噴口。

因此,GEnx雜訊值不僅低於FAR36部第3階段的規定值,而且也比第4階段(2006年執行)的低很多,如圖22所示。

11 結束語

2008年4月初,GEnx取得美國聯邦航空局FAA的適航證,表明該發動機順利完成了研製進程,可以用於B787上投入運營。但由於B787研製進度一拖再拖,原來計劃拖到2010年夏交付給第1家用戶,但在2009年6月波音公司再次宣布推遲交付日期,直到2012年3月26日用 GEnx作動力的第一架B787才交付給日航JAL。

GEnx在研製中,為滿足取得適航證的需要,用了8台發動機進行了為期2年的試驗工作,且於2006年在由B747改裝的飛行試台上完成了飛行試驗。在整個研發/取證的測試過程中,GEnx共完成4800次任務循環,運轉時間超過3600小時。

圖22、GEnx發動機的雜訊值

與 GE90發動機(用於1995年投入使用的B777客機,在研發/取證的測試過程中,運轉時間為8100小時,15000次循環)相比,GEnx的試驗時間與循環數是比較少的,但其性能卻有較大幅度提高。

這要歸功於 GE公司能吸取 GE90研製與使用的經驗及教訓,以及不斷開展新技術的發展研究工作,因而能在較短時間研製出能滿足21世「綠色航空」要求的新型發動機,其經驗與作法值得我們借鑒。

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