普惠發(fā)動(dòng)機(jī)未來或?qū)⒁�入反流傾斜式設(shè)計(jì)

寂靜天花板

普惠公司在創(chuàng)造與發(fā)明方面具有令人自豪的傳統(tǒng)。從1925年的首臺(tái)黃蜂發(fā)動(dòng)機(jī)到今天改變行業(yè)游戲規(guī)則的靜潔動(dòng)力齒輪傳動(dòng)式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，普惠開發(fā)了許多領(lǐng)先技術(shù)、為動(dòng)力行業(yè)帶來改變。

我們的工程師從未停止尋求創(chuàng)新。在這里，我們與您分享2015年3月26日美國航空周刊與航天技術(shù)網(wǎng)站上發(fā)表的一篇文章。您可以了解美國國家航空航天局與麻省理工學(xué)院宣布的未來飛機(jī)新概念。普惠公司及聯(lián)合技術(shù)公司研究中心參與此項(xiàng)研發(fā)。

當(dāng)未來飛機(jī)的設(shè)計(jì)師越來越尋求超越傳統(tǒng)的管翼構(gòu)型以期達(dá)到2030年以后的高效目標(biāo)時(shí)，人們?cè)陲w機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化的關(guān)鍵領(lǐng)域已開拓出了新的疆界。

從凹槽式進(jìn)氣道到靠吊艙固定的翼上發(fā)動(dòng)機(jī)布局等不同尋常的特征已成為風(fēng)洞中的常見景象，但即便是經(jīng)驗(yàn)豐富的研究人員也對(duì)普惠提出的一種全新發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)感到驚訝。這一理念不僅從結(jié)構(gòu)上將推進(jìn)器與燃?xì)獍l(fā)生器分離，而且將核心機(jī)反向并呈一定角度安裝。這一新穎的布局旨在解決由美國國家航空航天局（NASA）與麻省理工學(xué)院（MIT）正在研究的諸如D8雙氣泡飛機(jī)概念等全新機(jī)體構(gòu)型所帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝問題。

D8雙氣泡飛機(jī)是以2035年左右投入使用的NASA N+3代飛機(jī)為性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)比當(dāng)前的窄體客機(jī)至少降低60%的燃油消耗。這一性能飛躍背后的秘密是將發(fā)動(dòng)機(jī)并排布置在扁平化機(jī)體寬大尾部的上方。除了能夠提供一個(gè)干凈的高展弦比機(jī)翼降低阻力外，這一構(gòu)型還能使發(fā)動(dòng)機(jī)再利用流過機(jī)體表面的低速邊界層氣流（譯者注：亦可作“附面層”），從而提高效率。

不過這一構(gòu)型也帶來幾個(gè)問題。發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體上表面距離過近，使得風(fēng)扇必須在吸入邊界層時(shí)對(duì)流動(dòng)畸變有足夠的容忍裕度。由于預(yù)想用于D8的發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比至少要達(dá)到20:1，風(fēng)扇的尺寸也將會(huì)很大，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)比目前第4階段噪聲限制低52 EPNdb（可感噪聲分貝）的極低噪聲目標(biāo)。在NASA進(jìn)行的縮比試驗(yàn)已經(jīng)顯示，由聯(lián)合技術(shù)公司研究中心開發(fā)的抗畸變風(fēng)扇能夠應(yīng)對(duì)邊界層的挑戰(zhàn)，但其他關(guān)鍵問題仍然存在。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的效率與工作壓比越來越高，其尺寸也越來越小，與隨涵道比增加而變得巨大的推進(jìn)器相比已越發(fā)不成比例。這使得高壓壓氣機(jī)的出口葉片的高度達(dá)到0.5英寸甚至更小。在如此小的尺度上，不僅使得葉尖間隙難于維持，而且核心機(jī)內(nèi)也很難有足夠的空間安裝連接風(fēng)扇和低壓渦輪的驅(qū)動(dòng)軸。此外，由于核心機(jī)的長(zhǎng)徑比越來越大，設(shè)計(jì)者面臨發(fā)動(dòng)機(jī)主軸撓曲的問題，而這又會(huì)對(duì)間隙控制產(chǎn)生進(jìn)一步影響。

普惠公司技術(shù)與環(huán)境副總裁艾倫•艾伯斯坦（Alan Epstein）表示：“我們由此產(chǎn)生了將核心機(jī)反向安裝的突破性想法�！笨諝馊匀徽�常通過風(fēng)扇進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，但與之前直接進(jìn)入壓氣機(jī)不同，空氣通過外側(cè)通道到達(dá)核心機(jī)的后面，再從相反方向進(jìn)入。這種布局與加拿大普惠公司的PT6發(fā)動(dòng)機(jī)類似，空氣從后向前流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)馔ㄟ^動(dòng)力（低壓）渦輪后向前排出，渦輪再通過一套齒輪系統(tǒng)連接到風(fēng)扇。渦輪、齒輪箱和風(fēng)扇的連接將通過“一個(gè)相當(dāng)短的軸，而且由于核心機(jī)并不與動(dòng)力部分相連，可以很方便的將核心機(jī)卸下進(jìn)行維修”，艾伯斯坦解釋到。

這一方案還解決了另一個(gè)問題。這種類似在D8上應(yīng)用的嵌套式發(fā)動(dòng)機(jī)無法滿足美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）目前適航標(biāo)準(zhǔn)中的“1/20”準(zhǔn)則，這一準(zhǔn)則規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)生非包容失效時(shí)碎片只能有1/20的概率穿出從而導(dǎo)致另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也失效。而在這一方案中由于核心機(jī)與推進(jìn)器不再通過機(jī)械相連接，艾伯斯坦指出：“設(shè)計(jì)者想出了可以讓核心機(jī)彼此之間呈一定角度來安裝的絕妙方式。”

艾伯斯坦說道：“它們的安裝角度可以達(dá)到大約50度，核心機(jī)的出口也通過一個(gè)偏轉(zhuǎn)50度的引氣管道與動(dòng)力渦輪相連。這樣，兩個(gè)核心機(jī)間的角度就超過了90度，這在幾何結(jié)構(gòu)上很容易實(shí)現(xiàn)。這也讓我們能夠獲得更大的涵道比，而且如果只是偏轉(zhuǎn)核心機(jī)氣流的話對(duì)主氣流的影響也不明顯，壓力損失也很低�！�

普惠希望為未來的研究勾勒一個(gè)路線圖，可能與NASA一道進(jìn)一步確定其結(jié)構(gòu)形式，評(píng)估與更短的進(jìn)氣道有關(guān)的因素，這也有助于研發(fā)下一代齒輪傳動(dòng)式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。其它關(guān)注領(lǐng)域還包括研究引氣管道，評(píng)估其重量與溫度要求，以及能否采用陶瓷基復(fù)合材料制造。艾伯斯坦表示：“接下來的問題就是如何讓FAA相信這種發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足認(rèn)證要求�！�

對(duì)于麻省理工學(xué)院（MIT）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)來說，普惠新穎的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)是D8方案構(gòu)型的關(guān)鍵因素。另一個(gè)關(guān)鍵因素是通過NASA的大尺寸風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證后置安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)組在邊界層吸入（BLI）時(shí)的效率收益。據(jù)D8項(xiàng)目的首席研究員MIT教授埃德•格雷特爾（Ed Greiter）介紹：“在真實(shí)構(gòu)型下動(dòng)力節(jié)省可以達(dá)到8%左右，這是能夠?qū)⑦吔鐚游�入概念用于民用運(yùn)輸領(lǐng)域的證據(jù)�！贝朔�表述是格雷特爾2015年1月在奧蘭多參加美國航空航天學(xué)會(huì)的科學(xué)技術(shù)大會(huì)時(shí)做出的。

在傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)中，有很大一部分動(dòng)能隨著機(jī)身尾部的低速尾跡和發(fā)動(dòng)機(jī)的高速排氣損失掉了，這也增加了對(duì)動(dòng)力的需求。通過吸入和重新利用邊界層氣流，格雷特爾表示“BLI能夠減少尾跡和排氣的動(dòng)能浪費(fèi)�！睉{借安裝在機(jī)身后段上方的發(fā)動(dòng)機(jī)，D8能夠吸入大約40%的低動(dòng)能氣體。

通過對(duì)采用了邊界層吸入和傳統(tǒng)吊艙安裝的“非邊界層吸入”形式的D8模型成對(duì)進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試，MIT團(tuán)隊(duì)通過測(cè)量推進(jìn)器維持相同狀態(tài)時(shí)向氣流輸出的機(jī)械功，對(duì)邊界層吸入的收益進(jìn)行了定量研究。結(jié)果顯示在推進(jìn)器出口面積不變時(shí)，采用邊界層吸入可以使所需功率降低8.4%，當(dāng)流量相同時(shí)這一數(shù)值提高到了10.4%。格雷特爾表示：“這是非常明顯的收益�！�

MIT的技術(shù)負(fù)責(zé)人亞麗杭德拉•烏蘭加（Alejandra Uranga）表示：“其最主要的效果是通過降低排氣速度提高了推進(jìn)效率，原因是進(jìn)入推進(jìn)器的氣流速度更低了。D8的發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)如CFM56-7相比，單位推力相當(dāng)?shù)�推進(jìn)效率更高，這也是我們認(rèn)為研究結(jié)論同樣能在全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)上適用的原因。”

烏蘭加表示D8模型的測(cè)試范圍覆蓋8度迎角和15度側(cè)滑角，流動(dòng)狀態(tài)正常。單發(fā)停車測(cè)試也并未顯示出對(duì)運(yùn)行中的發(fā)動(dòng)機(jī)有不利影響；格雷厄爾還表示，吸入發(fā)生畸變的邊界層氣流導(dǎo)致風(fēng)扇效率的損失與其所帶來的收益相比“根本就不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上”。他還補(bǔ)充道：“未發(fā)現(xiàn)任何因素能夠否定D8的構(gòu)型�！�