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探秘GEnx发动机的关键技术

探秘GEnx发动机的关键技术

近日,GEnx发动机使用专门的吸尘设备,在模拟的恶劣环境中完成了3000多个循环的吸尘试验,取得了出色的耐久性试验结果。

据了解,GEnx发动机已投入使用10年,目前有超过2700台GEnx发动机处于服役和订单状态。GEnx发动机使用轻质耐用材料和先进设计工艺来减轻重量、提高性能并降低维护成本,使其创下了大推力商用涡扇发动机的销售纪录。众多关键技术共同支撑起该发动机低油耗、低污染、低噪声的设计目标。

提供兆瓦级电能

传统大型客机上,各系统大多通过压缩空气驱动,如座舱空调系统用的高压空气,是由发动机高压压气机引气提供的。同时,液压系统的高压液压泵,是由发动机附件传动机匣上的传动轴驱动的。而波音787采用无引气架构,用交流电的电动机驱动空气压缩机与液压泵,成为“准全电”飞机。为此,需要由发动机驱动大功率的交流发电机,以提供足够的电能。

探秘GEnx发动机的关键技术

传统客机每台发动机驱动1个发电机,APU驱动1个发电机。而波音787共有6个发电机,2个GEnx发动机驱动4个发电机,提供主要的电能,每个发电机的发电功率为250千瓦,APU驱动2个二级发电机,每个发电机的发电功率为225千瓦。如果6个发电机同时启动,则可提供1.45兆瓦的电能,是波音777发电功率的4倍,相当于10个足球场面积大小的太阳能电池板的发电能力。

降低油耗

巨大的外涵道和复合材料风扇。GEnx发动机的涵道比为9∶1,风扇叶片直径达2.8米,通过使用碳纤维复合材料风扇和机匣降低重量。上一代风扇由钛合金制成,钛合金具有较高的比强度,但碳纤维的比强度更高,而且刚性更强。碳纤维复合材料风扇的直径更大、厚度更薄,相比于钛合金风扇,新的材料使风扇的扇叶数从22降至18,实现了15%的减重,且风扇转速上限更高。

压气机极高的增压比。GEnx拥有现役商业发动机中最高压比的压气机。增大压比,可以最大化利用燃料释放的能量,涡轮和喷口转换的能量也越多。GEnx发动机的压比最高可达58∶1,在压比提高的同时,压气机级数反而降低了,比CF6发动机减少了4级。GEnx发动机通过采用三维气动技术,提高了叶片的性能;通过一体化加工制造整体叶盘,气动效率进一步提高。

降低氮氧化物排放

双环预混旋流器燃烧室的核心技术是在保持分区燃烧优点的同时,引入创新的预混概念。为使燃烧室温度分布因子达到最优并降低氮氧化物排放,GE公司在燃油喷嘴中运用了微观分层技术,以实现燃烧的平稳过渡。因此,空气和燃油在进入燃烧室之前就做到了很好的预先混合。燃油喷嘴的空气旋流器为3个,其中1个用于主混合器的旋流进气,2个用于副混合器的旋流进气,这是实现燃油喷嘴微观分层技术的关键。喷嘴中心为引燃火焰,主喷嘴为环形,产生两层旋流流动。在预混阶段,需要大量空气,来保证贫油燃烧。这个喷嘴看起来很简单,但需要无数次模拟和迭代设计,如果没有最新一代的金属3D打印技术,如此复杂的结构很难被制造出来。据统计,研发后,其氮氧化物的排放降低了60%。

探秘GEnx发动机的关键技术

双环预混旋流器可实现发动机全工况的贫油燃烧,燃烧效率高,火焰温度低,污染排放低,是一种更为先进、结构更为简洁的燃烧室,代表了现代航空涡轮发动机燃烧室工程技术的发展方向。双环预混旋流器还在LEAP发动机和GE9X发动机上得到了进一步发展和使用,实现了更强的贫油燃烧和更低的氮氧化物排放。

降低噪声

GEnx发动机噪声的降低,主要归功于其标志性的外观设计——锯齿形的喷口。由于涡扇发动机需要将空气和燃气从内外涵道快速喷出,速度远高于外界空气的流速,与外界空气的作用会导致剧烈的掺混,产生巨大的噪声,就像瀑布撞击到水面。锯齿喷口用于控制喷出的气流,让每个锯齿产生小涡,使高温高速的喷气与外界空气混合得更柔和,大幅降低了发动机产生的噪声。(作者:何鹏 田涛 程文旺)

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