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探秘GEnx發動機的關鍵技術

探秘GEnx發動機的關鍵技術

近日,GEnx發動機使用專門的吸塵裝置,在模拟的惡劣環境中完成了3000多個循環的吸塵試驗,取得了出色的耐久性試驗結果。

據了解,GEnx發動機已投入使用10年,目前有超過2700台GEnx發動機處于服役和訂單狀态。GEnx發動機使用輕質耐用材料和先進設計工藝來減輕重量、提高性能并降低維護成本,使其創下了大推力商用渦扇發動機的銷售紀錄。衆多關鍵技術共同支撐起該發動機低油耗、低污染、低噪聲的設計目标。

提供兆瓦級電能

傳統大型客機上,各系統大多通過壓縮空氣驅動,如座艙空調系統用的高壓空氣,是由發動機高壓壓氣機引氣提供的。同時,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。而波音787采用無引氣架構,用交流電的電動機驅動空氣壓縮機與液壓泵,成為“準全電”飛機。為此,需要由發動機驅動大功率的交流發電機,以提供足夠的電能。

探秘GEnx發動機的關鍵技術

傳統客機每台發動機驅動1個發電機,APU驅動1個發電機。而波音787共有6個發電機,2個GEnx發動機驅動4個發電機,提供主要的電能,每個發電機的發電功率為250千瓦,APU驅動2個二級發電機,每個發電機的發電功率為225千瓦。如果6個發電機同時啟動,則可提供1.45兆瓦的電能,是波音777發電功率的4倍,相當于10個足球場面積大小的太陽能電池闆的發電能力。

降低油耗

巨大的外涵道和複合材料風扇。GEnx發動機的涵道比為9∶1,風扇葉片直徑達2.8米,通過使用碳纖維複合材料風扇和機匣降低重量。上一代風扇由钛合金制成,钛合金具有較高的比強度,但碳纖維的比強度更高,而且剛性更強。碳纖維複合材料風扇的直徑更大、厚度更薄,相比于钛合金風扇,新的材料使風扇的扇葉數從22降至18,實作了15%的減重,且風扇轉速上限更高。

壓氣機極高的增壓比。GEnx擁有現役商業發動機中最高壓比的壓氣機。增大壓比,可以最大化利用燃料釋放的能量,渦輪和噴口轉換的能量也越多。GEnx發動機的壓比最高可達58∶1,在壓比提高的同時,壓氣機級數反而降低了,比CF6發動機減少了4級。GEnx發動機通過采用三維氣動技術,提高了葉片的性能;通過一體化加工制造整體葉盤,氣動效率進一步提高。

降低氮氧化物排放

雙環預混旋流器燃燒室的核心技術是在保持分區燃燒優點的同時,引入創新的預混概念。為使燃燒室溫度分布因子達到最優并降低氮氧化物排放,GE公司在燃油噴嘴中運用了微觀分層技術,以實作燃燒的平穩過渡。是以,空氣和燃油在進入燃燒室之前就做到了很好的預先混合。燃油噴嘴的空氣旋流器為3個,其中1個用于主混合器的旋流進氣,2個用于副混合器的旋流進氣,這是實作燃油噴嘴微觀分層技術的關鍵。噴嘴中心為引燃火焰,主噴嘴為環形,産生兩層旋流流動。在預混階段,需要大量空氣,來保證貧油燃燒。這個噴嘴看起來很簡單,但需要無數次模拟和疊代設計,如果沒有最新一代的金屬3D列印技術,如此複雜的結構很難被制造出來。據統計,研發後,其氮氧化物的排放降低了60%。

探秘GEnx發動機的關鍵技術

雙環預混旋流器可實作發動機全工況的貧油燃燒,燃燒效率高,火焰溫度低,污染排放低,是一種更為先進、結構更為簡潔的燃燒室,代表了現代航空渦輪發動機燃燒室工程技術的發展方向。雙環預混旋流器還在LEAP發動機和GE9X發動機上得到了進一步發展和使用,實作了更強的貧油燃燒和更低的氮氧化物排放。

降低噪聲

GEnx發動機噪聲的降低,主要歸功于其标志性的外觀設計——鋸齒形的噴口。由于渦扇發動機需要将空氣和瓦斯從内外涵道快速噴出,速度遠高于外界空氣的流速,與外界空氣的作用會導緻劇烈的摻混,産生巨大的噪聲,就像瀑布撞擊到水面。鋸齒噴口用于控制噴出的氣流,讓每個鋸齒産生小渦,使高溫高速的噴氣與外界空氣混合得更柔和,大幅降低了發動機産生的噪聲。(作者:何鵬 田濤 程文旺)

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