按美国FAA的适航条令FAR规定,一种双发客机如能获得180minETOPS的批准,就能像3,4发客机一样,能开通任一航线。180minETOPS:获准120minETOPS后已工作1年,空中停车率低于每千小时0.02次。因此,研制出可靠性极高的发动机,是波音777对发动机行业提出的第二个苛刻挑战。为波音777研制的3型发动机中GE90采用了全新设计,而PW4084、遄达800则采用了衍生发展的途径。目前普惠公司正在用PW2000发动机的核心机试验ADP。
1 波音777对发动机提出的挑战
波音777是美国波音公司于1990年初提出、计划于1995年中投入营运的大型双发动机客机,是波音公司在20世纪推出的最后一个机型,是第1种无图纸的飞机,也是一个冒极大技术风险的产品。
波音777的研制目的是要在投入营运之初,就具有双发客机开通只能由3发,4发客机飞行的任意航线的能力(截至20世纪90年代初,还没有任何一种双发客机未经严格审批而具有这种能力),同时填补波音公司系列宽体客机中四发的波音747 400型(约400余座)与双发的波音767-300型(约200余座)之间的空当,以便与当时的麦·道公司3发 MD11,空中客车工业公司的4发 A340、双发 A330相竞争而发展的一种最新型号的双发客机。
波音777的初始型号有两种,即标准中程“A”市场型(后命名为 200型,其航程为7700km,载客量为364座)与远程“B”市场型(为300型,其航程为12230km,298座)。1995年6月投入营运的是“A”市场型。
这两型飞机的起飞总重分别为233.6t和267.6t,远比当时已投入营运的双发客机重许多。据统计,现有双发客机中,发动机总推力与起飞总重之比约为1.4~1.7kN/t,如按最小比值计,两型波音777客机的发动机至少应分别提供327kN 与375 kN推力。
而当时(1990年)已投入使用的发动机中,最大的推力约为270kN(罗·罗公司的
RB211-524H 发动机推力为269.6kN,普惠公司的PW4060发动机的推力为266.9kN,GE公司CF6-80C2B6发动机推力为273.6kN),显然与波音777飞机的要求差距甚大。
根据统计、分析,一种客机投入营运后,起飞总重将不断增加,以增加乘客座位与航程,营运10年后,飞机的起飞总重往往会加大25%左右,届时,飞机所用的发动机推力也应增加20%~30%。
由此可以看出,波音777需要的是一种推力至少为327kN 并可增大到400kN或更大的特大型发动机,即其推力比当时最大的发动机的推力要大25%~50%。这是波音777对发动机行业提出的一个既艰巨又富有吸引力的挑战。
另外,波音777要在投入营运之初就能像3,4发客机一样具有能开通世界上任意航线的能力,这就要求在飞机投入营运之时,就取得美国联邦航空局FAA等适航当局的180min“双发客机延程飞行”(即180minETOPS)的批准,这又是对发动机行业提出的另一个极为苛刻的挑战。
按美国FAA的适航条令FAR规定,一种双发客机如能获得180minETOPS的批准,就能像3,4发客机一样,能开通任一航线。但是,要取得180minETOPS的批准是比较难的,适航当局从保证飞机飞行安全出发,做了许多严格的规定,其中对发动机的规定是:120minETOPS:发动机累计工作时间超过25万小时,空中停车率低于每千小时0.05次。180min ETOPS:获准120minETOPS后已工作1年,空中停车率低于每千小时0.02次。
而波音777要在投入营运之初即获得180minETOPS批准,即要越过以往需费力越过的两个大台阶一蹴而成,可以想象它的难度有多大。因此,研制出可靠性极高的发动机,是波音777对发动机行业提出的第二个苛刻挑战。
2 迎接挑战研制新型发动机
西方三大发动机公司分别为波音777研制了各自的发动机,它们是:普惠公司的PW4084,罗·罗公司的遄达800和GE公司的GE90。
国际上有两种发展新型、大推力发动机的途径,即全新设计与衍生发展。为波音777研制的3型发动机中 GE90采用了全新设计,而PW4084、遄达800则采用了衍生发展的途径。
2.1 全新设计的研制途径
全新设计的发展途径是根据既满足飞机目前所要求的推力,同时又考虑到今后发展需要增大推力两方面的要求,不受原有发动机的约束,从循环参数的选择到部件结构设计均以满足设计目标而走的一种较优化的研制途径。
GE90采用了全新设计的途径,当然所谓全新设计,是指发动机整体设计是全新的,发动机的主要组件、部件仍然是在该公司研究成果的基础上发展来的。
例如高压压气机是直接利用E3节能发动机的设计按1.69倍放大而成的,双环腔燃烧室的设计也是利用了 E3节能发动机的成果,宽弦复合材料的风扇叶片吸取了 GE36验证机的经验,涡轮叶片的 Rene’N5单晶材料与涡轮盘的 Rene’88DT粉末材料是在CF6-80E1、F110民军用发动机上已成功使用的材料。
采用全新设计所受约束较少,可以获得较广的推力范围以及较好的性能,但要担当一定的技术风险。
GE90的循环参数与尺寸完全按满足波音777及其发展型所需而选定的,因此其性能及发展潜力均较好,尺寸也最大,它的风扇叶尖直径为3.124m,比用于波音747的发动机大0.7m左右,加上包容环的厚度,发动机短舱的最大高度达4.178m,可以毫不夸张地称它是当今世界上最大的发动机。
2.2 衍生发展
衍生发展大推力发动机的途径,是在现役的较好的发动机基础上,在高压部件(高压压气机、燃烧室、高压涡轮)基本不作改动的情况下,对风扇、增压压气机(或三转子发动机中的中压压气机)与低压涡轮进行改动来达到的。
在衍生改进发展中,为了增大发动机推力,只能从增大流入发动机的空气流量与增加总压比来达到。
对于前者,首先用增大风扇直径来增加进入发动机的空气量。另外,再增加增压压气机的级数,使流入高压压气机入口处的空气压力提高,加大进入核心机的空气流量。
对于后者,在高压部件不动的情况下,也是用增加增压压气机的级数来达到的。当然,此改进的结果是风扇与增压压气机所需传动的功率加大,这只能用增加低压涡轮级数来达到。
这种用衍生改进来提高发动机推力的发展途径,三家发动机公司均采用过。例如,用于 A330双发客机的3种发动机遄达700、PW4168和 CF680E1均是在各自公司为波音747-400、波音767-300等发展的发动机基础上加大风扇直径,增加增压(或中压)压气机级数与低压涡轮级数,使空气流量、总压比提高而达到的。
遄达800、PW4084采用了衍生发展途径。遄达800是在罗·罗公司遄达700型发动机基础上衍生发展的,而遄达700又是由 RB21122B型发动机经过 524、524B、524C、524D和 524G/H等型号系列衍生改进来的。在遄达800设计中,中压压气机为8级,低压涡轮由3级增加2级成为5级,风扇直径为2.794m(加大了0.604m)。
PW4084则是PW4000系列发动机衍生发展的。4084型在 PW4168型的基础上将风扇直径由2.540m加大到2.844m,用无凸肩宽弦空心叶片取代了原有的带凸肩窄弦实心叶片,低压压气机6级,低压涡轮7级(增加2级),表1列出普惠公司采用衍生发展途径发展用于A330、波音777客机的新发动机的有关数据。
表1、采用衍生发展途径的新发动机有关数据
采取衍生发展时,发展速度较快,初始的可靠性较好,但循环参数受到原型机的限制不一定最佳,且推力的发展将受到核心机尺寸的限制。
由于核心机未改动,低压传动轴的直径受到限制,因此如果要进一步提高发动机的推力,只能借助用减速器驱动更大直径风扇的办法,这就是所谓的先进涵道推进器(ADP),其推力可超过400kN。目前普惠公司正在用PW2000发动机的核心机试验 ADP。
采用衍生发展的方式,明显减小了技术风险,缩短了研制周期。1995年年中波音777客机首次投入营运时采用PW4084发动机,就说明了这一点。
2.3 两种发展途径的比较
用于 A330的3种发动机(CF680E1、PW4068和遄达700),推力均已大于300kN,可以以这些发动机为基础,再加大风扇直径、增加增压压气机级数,来增加推力以满足波音777的需要。
从技术观点看,这种衍生改进途径在一定推力范围内是可行的,普惠与罗·罗两公司即走了这一途径,但 GE公司在做了全面分析后,选择了全新设计的发展途径。这是因为采用衍生发展时,推力的增加将受到高压部件盘心尺寸的约束而受到限制,满足不了波音777日后向更大的起飞总重发展时的需要。
如前所述,在衍生改进时,是用加大风扇直径与增加增压压气机级数达到的。从表1列出的普惠公司为波音777发展的发动机与用于 A330的发动机比较表可以看出,风扇直径由2.535m增至2.845m,增压压气机级数由5级变为6级。
风扇直径加大,必然要降低风扇、低压涡轮的转速(以维持风扇叶尖切线速度不变),如传动风扇的功率不变,轴上所受的扭矩必然加大。何况当风扇直径加大、增压压气机级数加多,必然使传动风扇所需的功率增加,因此,由这两方面原因造成由低压涡轮到风扇的传动轴所受的扭矩要大幅度增加。
为保证传动轴有足够的强度,势必要增加传动轴的外径,但是由于高压部件不能变,高压压气机、高压涡轮的盘心孔径限制了低压转子传动轴外径的加大,这样,就限制了推力的加大。也即在采用衍生改进来提高发动机推力的途径,在推力达到一定程度后就会受到限制。
在全新发展中,设计之初考虑到今后发动机推力增长的趋势,就可在发动机总体结构设计中予以安排,推力有较大的增长潜力,能较好地满足飞机继续改进的需要。
GE90的推力最后在 GE90115B中达到创世界纪录的 547.6kN(用于波音 777300ER时额定推力为513kN),成为波音777300ER唯一采用的发动机这一事实(普惠、罗·罗的发动机推力均未达到)说明全新发展途径的优越之处。
发动机性能特别是经济性的好坏,在很大程度上取决于循环参数(涵道比、总压比等)的选择。
从这个意义上看衍生改进型涵道比、总压比两个循环参数比全新设计者要小,这是因为靠加大风扇直径提高涵道比的办法如上所述,受到低压转子传动轴直径的限制不可能太高。
另外,在高压部件不动的情况下,靠增加增压压气机的级数来达到提高总压比的办法效果不十分大。
因此,在3种用于波音777的发动机中,全新设计的 GE90涵道比与总压比最大,分别为8.4与39.3(PW4084分别为6.41与34.4,遄达800为6.21与36.0)。涵道比大推进效率高,总压比高热效率高,因此,GE90的耗油率比其他两型发动机约低2%~4%。
综上所述,全新设计的发动机,推力增长的潜力大,能满足波音777今后改进的需要;经济性好,能给航空公司带来较好的经济效益。
2.4 三型发动机的取证
为波音777研制的三型发动机均按计划取得 FAA的适航证,并基本按预定时间投入航线营运。表2列出该三型发动机取得适航证时的参数。
表2、用于波音777三型发动机主要参数及取得适航证时间
为了使用于波音777的发动机获得优良的性能与高的可靠性、好的维修性,这三型发动机在设计、发展中,均采用了许多先进技术,进行了广泛而严峻的试验。
