普惠公布创新型飞机发动机一体化设计方案

普惠公布创新型飞机/发动机一体化设计方案NASA/MIT联合团队的D8飞机设计将发动机并排安装在机体尾部上方，这给适航取证和结构布局带来了挑战。普▪惠公司创新性的将核心机反向呈一定角度分开安装的方案使得毗邻发动机组也能够满足适航要求。(图中英文自上而下分别为：风扇、动力涡轮、燃气发生器)在未来客机设计者正日益将眼光超越传统的筒状机身+机翼构型之外以满足2030年及以后的高效率目标时，美国的工程师在飞机/发动机一体化设计的关键领域也开拓出了新的方向。近日，普▪惠公司公布了一种创新的飞机/发动机一体化设计方案。该公司提出了一种所谓的“反向倾斜安装齿轮传动涡扇发动机”概念，解决了由美国国家航空航天局(NASA)和麻省理工学院(MIT)正在研究的D8双气泡飞机所带来的安装问题。这种反向倾斜安装齿轮传动涡扇发动机从结构上将推进器(风扇部分)与燃气发生器(即核心机)分离，而且将核心机反向并呈一定角度安装。这种创新的解决方案提高了发动机推进效率、降低了失效风险，同时还降低了发动机重量。D8双气泡飞机是以2035年左右投入使用的NASAN+3代飞机为目标，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，除了能提供一个干净的高展弦比机翼降低阻力外，还能使发动机利用流过机体表面的低速附面层提高推进效率。不过这一构型也带来了严重的问题。发动机与机体上表面距离过近，使得风扇必须在吸入附面层时对流动畸变有足够的容忍裕度。同时预想用于D8的发动机涵道比至少要达到20，风扇的尺寸将会很大，还要达到比目前第4阶段噪声限制低52EPNdb(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，由联合技术研究中心发展的抗畸变风扇能够应对附面层挑战，但其他关键问题仍然存在。随着发动机核心机的效率和工作压比越来越高，其尺寸也越来越小，与随涵道比增加而变的巨大的推进器相比已经很不成比例。高压压气机出口工作叶片的高度甚至不到12.7毫米，在这么小的尺度上，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，设计者面临主体结构挠曲的问题，而这对间隙控制会产生很大影响。由此普▪惠公司产生了将核心机反向安装的突破性想法。空气仍然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。这种布局与普▪惠加拿大公司的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。这一方案也解决了另一个问题。这种嵌套式安装的发动机不再适用于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的概率穿出从而影响另一台发动机。而在这一方案中由于核心机和推进器不再有机械连接，设计者想出可以让核心机彼此之间呈一定角度安装的绝妙方式，其安装角可以达到50度，核心机的出口也通过一个偏转50度的管道再进入动力涡轮。这样两个核心机之间的角度就超过了90度，这在几何结构上很容易实现。这也使得能够采用更大的涵道比，如果只是偏转核心机气流的话其流量也不会太大，压力损失也可以降低。普▪惠公司希望可以为这一概念的未来研究提出一个路线图，可能与NASA一起进一步确定结构形式，评估更短的进气道等相关因素，这也有助于研发下一代齿轮传动涡扇发动机。其他关注领域还包括研究空气管道，评估其重量和温度要求，以及是否能应用陶瓷基复合材料等新材料。接下来的问题就是如何让FAA相信这种发动机能够满足适航要求。对于MIT领导的团队来说，普▪惠的创新发动机设计是D8方案的关键推动力。另一个关键因素是通过NASA的大尺寸风洞试验确认后置的发动机组在附面层吸入(BLI)时的效率收益。据D8研究负责人介绍，在实际构型下动力节省可以达到8%左右，这也是附面层吸入概念在民用运输方面能够应用的证据。在常规的飞机设计中，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。通过附面层吸入和重新利用，能够减少尾迹和排气的动能浪费。D8的发动机安装在后机身上部，会吸入40%的低动能气体。通过对采用了附面层吸入和常规支架安装“非附面层吸入”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，对附面层吸入的收益进行定量研究。结果显示在推进器出口面积不变时采用附面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%，具有非常明显的收益。MIT的技术负责人对此解释说，其显性效应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的发动机与当代发动机如CFM56-7相比，单位推力相当但推进效率更高，这也是研究结论同样能在全尺寸上发动机适用的原因。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。对发动机的测试也并未显示出对运行有不利影响，而吸入发生畸变的附面层气流导致风扇效率的损失与采用附面层吸入所带来的收益根本就不在一个数量级上，因此，MIT团队认为D8构型的未来已经不可阻挡。