Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

■ 溫 杰

GE公司利用eCore驗(yàn)證機(jī)的預(yù)研成果，借鑒大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)，針對支線和公務(wù)機(jī)市場推出了全新設(shè)計(jì)的Passport發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)今年將隨龐巴迪公司的“環(huán)球”7000公務(wù)機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營，而“環(huán)球”7000的市場競爭力，在很大程度上需要仰仗Passport的表現(xiàn)。

研發(fā)背景

GE公司于2008年7月12日宣布啟動(dòng)高效核心機(jī)（eCore）驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃。從市場競爭角度來看，eCore驗(yàn)證機(jī)的推出主要是為應(yīng)對普惠公司提出的PurePower通用核心機(jī)計(jì)劃所帶來的挑戰(zhàn)。

eCore的目標(biāo)是在LEAP56計(jì)劃的基礎(chǔ)上，利用GE90和GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，研制出一種通用構(gòu)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，可適用于不同的飛行平臺。eCore驗(yàn)證機(jī)后來成為LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)和Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的研制基礎(chǔ)。

與eCore驗(yàn)證機(jī)相比，LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)尺寸有所擴(kuò)大，而Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)尺寸略有減小。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)作為CFM56的后繼型號，成為波音737 MAX、空客A320neo和中國商飛C919單通道噴氣客機(jī)的動(dòng)力裝置。

Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的問世則是受公務(wù)機(jī)市場需求的驅(qū)動(dòng)。在競爭激烈的超遠(yuǎn)程公務(wù)機(jī)市場，龐巴迪公司當(dāng)時(shí)醞釀發(fā)展一款新機(jī)型與對手抗衡。龐巴迪新型公務(wù)機(jī)的飛行距離擬達(dá)到12960～14810km，要求發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的經(jīng)濟(jì)性和推力水平。GE公司為此提出要研制一種推力為62～89kN的發(fā)動(dòng)機(jī)。

“環(huán)球”7000原型機(jī)正在進(jìn)行飛行試驗(yàn)

新型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的初步設(shè)計(jì)工作于2009年正式啟動(dòng)，在工程研制階段被稱作TechX。2010年10月19日，龐巴迪公司在美國公務(wù)機(jī)航空協(xié)會年會暨公務(wù)機(jī)展（NBAA）上宣布，選擇GE公司作為最新啟動(dòng)的“環(huán)球”7000/8000超遠(yuǎn)程公務(wù)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商。2011年5月16日，GE公司在歐洲公務(wù)機(jī)展（EBACE）上宣布，TechX被正式命名為Passport發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，GE公司希望Passport發(fā)展成為一個(gè)全新的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系列，推力為45.4～90.8kN。其中，配裝“環(huán)球”7000公務(wù)機(jī)的Passport 20的推力為73.4kN，耗油率至少比目前使用的同級別渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低8%。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)

作為新一代高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓部分采用了1級整體葉盤風(fēng)扇、3級低壓壓氣機(jī)和10級高壓壓氣機(jī)，涵道比為5.6，總增壓比為45；在燃燒部分采用了貧油低排放環(huán)形燃燒室，具有燃燒效率高、污染物排放少的特點(diǎn)；在膨脹做功部分采用了2級高壓渦輪和4級低壓渦輪；在排氣部分采用了混合器和中心錐體，可以有效混合氣流，減少壓力損失。

Passport的核心機(jī)充分利用了eCore驗(yàn)證機(jī)的成果。它的10級高壓壓氣機(jī)葉片采用了三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，增壓比達(dá)到23，同時(shí)不會發(fā)生失速喘振，甚至沒有油門桿限制。在結(jié)構(gòu)上，高壓壓氣機(jī)的前5級采用鈦合金加工而成的葉盤結(jié)構(gòu)，而后5級采用了傳統(tǒng)的壓氣機(jī)盤與鎳基合金鑄造葉片，以適應(yīng)更高的壓縮空氣溫度。從制造工藝來看，前5級整體葉盤的葉片和后5級壓氣機(jī)盤上的葉片都經(jīng)過超級拋光，具有更高的光潔度，以提升氣流增壓過程的效率。

Passport的第二代雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室（TAPS II）充分利用了GE90等大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不斷優(yōu)化的低排放技術(shù)，使燃油在燃燒室內(nèi)得到充分霧化和混合，實(shí)現(xiàn)全工作狀態(tài)下的貧油燃燒，顯著降低了污染排放。經(jīng)過驗(yàn)證，Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物、煙塵、碳?xì)浠衔锖投趸嫉扰欧盼镏笜?biāo)達(dá)到國際民航組織（ICAO）的航空環(huán)境保護(hù)委員會（CAEP）制定的CAEP/8排放標(biāo)準(zhǔn)，比CAEP/6排放標(biāo)準(zhǔn)低50%。

高壓渦輪的葉片采用了三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，具有高載荷性能。低壓渦輪采用了第三代三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)、先進(jìn)的冷卻技術(shù)和主動(dòng)間隙控制技術(shù)，以減輕重量，提高耐久性。

低壓渦輪部分采用了主動(dòng)間隙控制技術(shù)，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工作狀態(tài)，調(diào)整渦輪葉片葉尖與渦輪機(jī)匣之間的間隙。葉尖間隙越小，渦輪葉片的工作效率就越高。具體方法是，Passport發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪機(jī)匣上布置有冷卻管路，通過全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)調(diào)節(jié)冷卻空氣壓力，經(jīng)過毛細(xì)氣孔注入冷卻空氣，控制渦輪機(jī)匣的擴(kuò)張和收縮。就巡航狀態(tài)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)需要較小的葉尖間隙，但是在起飛和降落過程中則需要較大的間隙，避免葉尖和機(jī)匣之間發(fā)生摩擦。主動(dòng)間隙控制技術(shù)在大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上較為常見，但在公務(wù)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上屬首次應(yīng)用。

Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視圖

在排氣部分，Passport發(fā)動(dòng)機(jī)采用了可變面積風(fēng)扇外涵噴管。通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道的面積，控制外涵道的氣流速度，在不同飛行狀態(tài)下都可使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)，同時(shí)還可以有效降低噪聲和振動(dòng)。

先進(jìn)技術(shù)

風(fēng)扇整體葉盤

針對新一代公務(wù)機(jī)的舒適性要求，Passport發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上的一個(gè)主要特點(diǎn)是采用了較大的單級風(fēng)扇葉盤，可以顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

Passport發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試車臺上接受測試

從制造技術(shù)來看，整體葉盤雖然已經(jīng)應(yīng)用于軍用和民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的單級風(fēng)扇葉盤的直徑達(dá)到132cm，是迄今制造的最大的風(fēng)扇葉盤之一。風(fēng)扇葉盤由于減少了零件數(shù)量，在重量上減輕了三分之一，同時(shí)降低了振動(dòng)和減少了磨損，相應(yīng)地減少了維修工作量。根據(jù)熱力學(xué)循環(huán)的優(yōu)化結(jié)果，風(fēng)扇設(shè)計(jì)有18個(gè)寬弦葉片。這些葉片由鈦合金鍛造而成，通過線性摩擦焊接到葉盤上，最大限度地減少了葉片脫落的可能性。GE公司稱，參照Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸估算，全金屬風(fēng)扇的重量仍然比使用復(fù)合材料制造的風(fēng)扇部件輕，并且還可以保持金屬葉片的空氣動(dòng)力學(xué)效率。

風(fēng)扇葉盤由于減少氣流泄漏和采用了更小的輪盤，明顯增加了空氣流量，有效改善了燃油效率。對于傳統(tǒng)的壓氣機(jī)盤和葉片結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)扇葉片的榫頭與輪盤上的榫槽吻合，但會存在一個(gè)縫隙，在工作過程中將引起空氣泄漏，從而導(dǎo)致性能損失。GE公司通過去除燕尾型榫頭結(jié)構(gòu)以及與輪轂相關(guān)的尺寸和重量，減小了輪盤的直徑，從而可以利用增加的環(huán)狀區(qū)域獲得更多的氣流。

排氣混合裝置采用了CMC材料制造

從生產(chǎn)工藝來看，風(fēng)扇葉盤無須單獨(dú)的葉片，不僅消除了以往在安裝葉片與輪轂時(shí)所需的潤滑工藝，同時(shí)也不再需要校準(zhǔn)式平衡。

從安裝位置來看， Passport發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在“環(huán)球”7000的機(jī)身后部，遠(yuǎn)離地面，可以借助機(jī)翼的防護(hù)作用，減少外物損傷（FOD）。

從設(shè)計(jì)角度來看，風(fēng)扇葉片的葉型具有非常高的效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同級別發(fā)動(dòng)機(jī)，因此可以在設(shè)計(jì)時(shí)采用加厚的風(fēng)扇葉片前緣，具有更強(qiáng)的抗損傷性。

從維修角度來看，風(fēng)扇葉盤設(shè)計(jì)成為易于拆卸和裝配的結(jié)構(gòu)。GE公司已經(jīng)研制出了可以原位更換風(fēng)扇葉盤的工具，將其變成一個(gè)外場可更換部件（LRU），根據(jù)需要可以直接更換整個(gè)葉盤，然后將其送到車間，視損傷情況進(jìn)行修理。在Passport發(fā)動(dòng)機(jī)測試過程中，GE公司從未拆下風(fēng)扇進(jìn)行過修理。

陶瓷基復(fù)合材料

為了進(jìn)一步減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，GE公司在Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣和整流葉片等部件上采用了復(fù)合材料。值得一提的是，Passport發(fā)動(dòng)機(jī)是首型在排氣混合器、排氣中心體等15個(gè)零部件中使用了陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的公務(wù)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

CMC材料能夠承受高達(dá)982℃的溫度，而Passport發(fā)動(dòng)機(jī)上的最高溫度為677℃，留有充足的裕度。以中心錐體為例，這是一種發(fā)動(dòng)機(jī)后部突出的錐體，結(jié)構(gòu)非常輕巧，大約長76.2cm，前端直徑超過50.8cm，重量大約只有4kg。它的周圍是CMC材料制造的混合器，一種非常復(fù)雜的褶皺式結(jié)構(gòu)，需要3天時(shí)間才能鋪設(shè)成形。

一體化推進(jìn)系統(tǒng)

Passport安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)，與先進(jìn)的進(jìn)氣道、消聲部件和反推力裝置組成一體化推進(jìn)系統(tǒng)（IPS），這也是在公務(wù)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的首次應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)短艙采用了細(xì)長形的低阻構(gòu)型，在風(fēng)扇機(jī)匣等大型部件上廣泛使用了復(fù)合材料，可以充分發(fā)揮其氣動(dòng)性能和聲學(xué)方面的優(yōu)勢，有效降低阻力和減輕重量。

短艙內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)單件擴(kuò)展復(fù)合材料內(nèi)筒，結(jié)合了先進(jìn)的聲學(xué)防護(hù)，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平。IPS的防冰系統(tǒng)采用了定向流氣動(dòng)噴嘴技術(shù)，可以更有效地利用引自發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣，以減少引氣量。IPS在反推力裝置上采用了移動(dòng)式“彈力密封片”，以減少飛機(jī)在飛行過程中引起的空氣泄漏和湍流。

創(chuàng)新工藝

作為一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)，Passport發(fā)動(dòng)機(jī)采用了多種新型工藝和技術(shù)。其中，高壓壓氣機(jī)的葉片和葉盤采用了超光滑拋光工藝。通常，正常的葉片可能有20μm的粗糙度，用肉眼觀察十分光滑，而Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片會被放入介質(zhì)中，并以特定頻率振動(dòng)后，達(dá)到4～5μm范圍內(nèi)的表面粗糙度，使表面存在極其微小的凸起，甚至低于葉片表面的正常層流邊界層。除了改善空氣流動(dòng)外，使用更光滑的部件可以避免積垢，有助于保持壓氣機(jī)的效率。

數(shù)字孿生

Passport發(fā)動(dòng)機(jī)在完成組裝和測試之后都會有一個(gè)數(shù)字孿生體對應(yīng)其發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體。數(shù)字孿生體將按照相同工作條件進(jìn)行數(shù)字化“運(yùn)轉(zhuǎn)”，同步完成每項(xiàng)任務(wù)。這樣，GE公司可以掌握每臺發(fā)動(dòng)機(jī)每天的工作情況，如飛行過程的天氣、降低額定值的原因、是否吸入過火山灰、是否在中東遭遇沙塵暴，并將監(jiān)測重點(diǎn)放在基于運(yùn)行條件的可能出現(xiàn)的問題上。運(yùn)控中心的工作人員分別監(jiān)控每臺發(fā)動(dòng)機(jī)，并開展日常維護(hù)。因此，這將徹底改變公務(wù)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用和維修方式。