聚焦 2019-05-24 16:05

NMA项目发动机近期进展汇总

魏刘博 摘自 英国《飞行国际》网站

据英国《飞行国际》网站2019年5月17日刊文,近期,有关波音公司“新型中型飞机” (NMA)项目发动机选型的话题非常活跃。

该项目自推出至今,其发动机问题迟迟未有解决,现今或许已成为了一个备受关注的复杂学术问题。两个竞争NMA发动机合同的CFM国际公司和普惠公司都拒绝具体讨论NMA项目。但这两家公司都在开发下一代窄体飞机发动机,同时也都希望其下一代产品能实现高达两位数的效率提升。此外,由于NMA项目规格和研发时间表的不确定性,这两家公司必须保持足够灵活性以应对各种问题。

普惠公司正在研究各种促进发动机进步的先进技术,他们认为齿轮涡扇发动机(GTF)架构是该公司发动机未来发展的基础。普惠公司工程高级副总裁杰夫•亨特表示: “对于商业航空行业而言,齿轮传动涡轮风扇发动机架构对未来有着非凡的前景。新的GTF发动机技术远比我们目前使用的5种发动机先进,能够适应于不同的飞机平台。”

CFM国际公司则采用了一种较为适用的方法,同时研究多种不同的发动机架构,以满足飞机制造商的需求,同时也能够随着飞机制造商技术水平的提高,随时能够提供与飞机相匹配的发动机。此外,一般来讲,由于发动机的架构依赖于与飞机的整合,只有等飞机制造商确定需求之后,才会最终进行对架构的决定。而他指出,未来的发动机架构的发展方向是单一的,不会像现在这样多,就如同最早的飞机机翼都是木质机体,帆布蒙皮。CFM国际公司通过研究了18种不同的发动机结构,包括齿轮传动的涡扇发动机,反向旋转和无涵道的开式转子发动机,以及简单、直驱的单级发动机(如CFM56),最终才研发出了Leap发动机。该发动机目前用于于波音737 Max(Leap-1B)、空客A320neo、(Leap-1A)和C919(Leap-1C)等飞机。每年通过发动机技术的提升和进步,能够使飞机燃油效率提高约1%。也就是说,假设波音公司在未来十年中推出并交付NMA飞机,其发动机效率可能比Leap高出10-15%,而到2030年代可能会高出20%左右。

今年年初的一些迹象表明,波音公司倾向于推出NMA计划,但在今年仅仅是决定去做,在2020年才会坚定的去做。波音公司已经将NMA定位为一架200-270座,航程4000 - 5000 nm (7410 - 9260公里) 的飞机,并使用两台5万磅(222kN)推力级的涡轮风扇发动机,并预期2025年投入使用。

波音公司表示,NMA不会使用革命性技术推动技术的飞跃,而是整合现有技术。通过该项目,可以帮助波音公司改变其现在的生产制造流程,为下一个项目做好充分准备,一些分析师认为波音公司的下一个项目可能是737飞机的替代品。

今年3月,本来就不确定的NMA项目变得更加不确定。第二架737 Max飞机坠毁,使波音公司陷入危机,这次事件的发生几乎扼杀了该公司所有有关于NMA项目的公开讨论。波音公司于4月的财报电话会议上被问及NMA,其首席执行官丹尼斯·穆伦堡表示,现阶段波音公司优先将资源投向737Max,以尽快恢复运营。他补充说, 尽管如此,NMA的工作仍在继续,仍有可能于2025年投入使用。

最初,CFM国际公司、普惠公司和罗罗公司都在竞争NMA的发动机。但今年2月,罗罗公司主动退出了竞争,给出的原因是其不确定能否按照波音公司的时间表,提供适配的发动机。然而更重要的,罗罗公司也表示,有兴趣与另一家发动机制造商合作,一同为NMA项目提供发动机。

GE公司为NMA项目推出的发动机是比Leap发动机更大、更先进的衍生产品。该发动机的燃油效率比之前的CFM56高出15%,并且采用了Leap架构的简单性以确保其可靠性,能够满足窄体飞机苛刻的飞行安排(窄体客机可能每天飞行五到六次。)

同样,普惠公司一直在研究其GTF的新型别。现今,GTF已经用于A220、A320neos、巴西航空工业公司E-Jets E2以及开发中的日本三菱客机MRJs和俄罗斯伊尔库特MC -21等多种飞机。GTF的齿轮将风扇和涡轮解耦,因此每个旋转部件都能够以最佳转速旋转,风扇的转速约为涡轮转速的三分之一。普惠公司表示,这种设计比上一代发动机的效率高出16%。早先,普惠公司较为关注GTF的齿轮提高了发动机的推进效率(衡量发动机将机械能转化为飞机动能的程度),现今已将工作重心转移到提高发动机热效率(发动机将燃料中的化学能转化为机械能的程度)。发动机热效率取决于发动机的运行温度。为了让发动机适应更高的温度,普惠公司正研究更好的冷却方法,改进涂层和增加先进材料的使用,如陶瓷基复合材料(CMCs)。

GE公司认同普惠公司的做法,该公司认为可以通过扩大CMCs的使用,从设计中挤出更多的热力学效率。这种材料可以让工程师减少从压气机引气冷却涡轮的空气量。此外,通用电气打算在发动机的冷段使用更多的添加剂制造部件和碳纤维复合材料,以帮助减轻重量。GE公司认为,在混合动力系统面世之前,陶瓷基复合材料是仅次于碳纤维的最好的进步。

发动机制造商也在展望更长远的未来,寻求有望带来更大效率提升的架构,其中的无涵风扇,也被称为开式转子技术并不是一个新鲜的概念。数十年前,包括通用电气(GE)公司和波音公司在内的几家制造商已经开发了无涵技术。最近,赛峰公司在2017年对一种开放式转子发动机验证机进行了地面测试。

无涵设计解决了一个阻碍传统涡轮风扇效率的难题。工程师们知道他们可以通过增大发动机风扇的尺寸来提高效率,但随着风扇直径的增加,发动机短舱的重量和阻力呈指数级增长,抵消了收益。而无涵设计完全消除了发动机短舱,允许风扇在空气中自由旋转,从而实现更高的涵道比,开式转子承受了所有的阻力,将阻力大小下降了数个量级。但无涵设计也提出了新的要求,飞机制造商和发动机制造商之间必须高度协调和集成,工程师必须找到降低设计固有噪音的方法。

但是迄今为止,没有任何一种技术对发动机效率的提升,能与基于电力的推进技术相媲美。尽管大型飞机的全电动系统似乎仍局限于科幻小说的范畴,但混合动力系统似乎越来越可行,即使是对于中型航空运输系统也是如此。现今,普惠加拿大公司、柯林斯航空航天公司和联合技术先进公司(UTAP)正在联合开发混合动力飞机系统。柯林斯航空航天公司最近公布了在伊利诺斯州开设一个电动飞机系统“实验室”的计划,并正在与加拿大普惠公司和UTAP合作,为庞巴迪Dash 8-100涡轮螺旋桨飞机开发一种混合动力推进系统。GE航空公司设想的混合动力系统,为使用单个涡轮机为嵌入飞机机翼的多个小型和低阻力电动发动机提供电力.

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