普惠發動機未來或將引入反流傾斜式設計

寂靜天花板

普惠公司在創造與發明方面具有令人自豪的傳統。從1925年的首臺黃蜂發動機到今天改變行業游戲規則的靜潔動力齒輪傳動式渦扇發動機，普惠開發了許多領先技術、為動力行業帶來改變。

我們的工程師從未停止尋求創新。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網站上發表的一篇文章。您可以了解美國國家航空航天局與麻省理工學院宣布的未來飛機新概念。普惠公司及聯合技術公司研究中心參與此項研發。

當未來飛機的設計師越來越尋求超越傳統的管翼構型以期達到2030年以后的高效目標時，人們在飛機與發動機一體化的關鍵領域已開拓出了新的疆界。

從凹槽式進氣道到靠吊艙固定的翼上發動機布局等不同尋常的特征已成為風洞中的常見景象，但即便是經驗豐富的研究人員也對普惠提出的一種全新發動機結構感到驚訝。這一理念不僅從結構上將推進器與燃氣發生器分離，而且將核心機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）與麻省理工學院（MIT）正在研究的諸如D8雙氣泡飛機概念等全新機體構型所帶來的發動機安裝問題。

D8雙氣泡飛機是以2035年左右投入使用的NASA N+3代飛機為性能目標，設計比當前的窄體客機至少降低60%的燃油消耗。這一性能飛躍背后的秘密是將發動機并排布置在扁平化機體寬大尾部的上方。除了能夠提供一個干凈的高展弦比機翼降低阻力外，這一構型還能使發動機再利用流過機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。

不過這一構型也帶來幾個問題。發動機與機體上表面距離過近，使得風扇必須在吸入邊界層時對流動畸變有足夠的容忍裕度。由于預想用于D8的發動機涵道比至少要達到20:1，風扇的尺寸也將會很大，同時還要實現比目前第4階段噪聲限制低52 EPNdb（可感噪聲分貝）的極低噪聲目標。在NASA進行的縮比試驗已經顯示，由聯合技術公司研究中心開發的抗畸變風扇能夠應對邊界層的挑戰，但其他關鍵問題仍然存在。

隨著發動機核心機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器相比已越發不成比例。這使得高壓壓氣機的出口葉片的高度達到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，而且核心機內也很難有足夠的空間安裝連接風扇和低壓渦輪的驅動軸。此外，由于核心機的長徑比越來越大，設計者面臨發動機主軸撓曲的問題，而這又會對間隙控制產生進一步影響。

普惠公司技術與環境副總裁艾倫•艾伯斯坦（Alan Epstein）表示：“我們由此產生了將核心機反向安裝的突破性想法。”空氣仍然正常通過風扇進入發動機，但與之前直接進入壓氣機不同，空氣通過外側通道到達核心機的后面，再從相反方向進入。這種布局與加拿大普惠公司的PT6發動機類似，空氣從后向前流經發動機，燃氣通過動力（低壓）渦輪后向前排出，渦輪再通過一套齒輪系統連接到風扇。渦輪、齒輪箱和風扇的連接將通過“一個相當短的軸，而且由于核心機并不與動力部分相連，可以很方便的將核心機卸下進行維修”，艾伯斯坦解釋到。

這一方案還解決了另一個問題。這種類似在D8上應用的嵌套式發動機無法滿足美國聯邦航空管理局（FAA）目前適航標準中的“1/20”準則，這一準則規定發動機在發生非包容失效時碎片只能有1/20的概率穿出從而導致另一臺發動機也失效。而在這一方案中由于核心機與推進器不再通過機械相連接，艾伯斯坦指出：“設計者想出了可以讓核心機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到大約50度，核心機的出口也通過一個偏轉50度的引氣管道與動力渦輪相連。這樣，兩個核心機間的角度就超過了90度，這在幾何結構上很容易實現。這也讓我們能夠獲得更大的涵道比，而且如果只是偏轉核心機氣流的話對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路線圖，可能與NASA一道進一步確定其結構形式，評估與更短的進氣道有關的因素，這也有助于研發下一代齒輪傳動式渦扇發動機。其它關注領域還包括研究引氣管道，評估其重量與溫度要求，以及能否采用陶瓷基復合材料制造。艾伯斯坦表示：“接下來的問題就是如何讓FAA相信這種發動機能夠滿足認證要求。”

對于麻省理工學院（MIT）領導的團隊來說，普惠新穎的發動機設計是D8方案構型的關鍵因素。另一個關鍵因素是通過NASA的大尺寸風洞試驗驗證后置安裝的發動機組在邊界層吸入（BLI）時的效率收益。據D8項目的首席研究員MIT教授埃德•格雷特爾（Ed Greiter）介紹：“在真實構型下動力節省可以達到8%左右，這是能夠將邊界層吸入概念用于民用運輸領域的證據。”此番表述是格雷特爾2015年1月在奧蘭多參加美國航空航天學會的科學技術大會時做出的。

在傳統的飛機設計中，有很大一部分動能隨著機身尾部的低速尾跡和發動機的高速排氣損失掉了，這也增加了對動力的需求。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能浪費。”憑借安裝在機身后段上方的發動機，D8能夠吸入大約40%的低動能氣體。

通過對采用了邊界層吸入和傳統吊艙安裝的“非邊界層吸入”形式的D8模型成對進行風洞測試，MIT團隊通過測量推進器維持相同狀態時向氣流輸出的機械功，對邊界層吸入的收益進行了定量研究。結果顯示在推進器出口面積不變時，采用邊界層吸入可以使所需功率降低8.4%，當流量相同時這一數值提高到了10.4%。格雷特爾表示：“這是非常明顯的收益。”

MIT的技術負責人亞麗杭德拉•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效率，原因是進入推進器的氣流速度更低了。D8的發動機與現役發動機如CFM56-7相比，單位推力相當但推進效率更高，這也是我們認為研究結論同樣能在全尺寸發動機上適用的原因。”

烏蘭加表示D8模型的測試范圍覆蓋8度迎角和15度側滑角，流動狀態正常。單發停車測試也并未顯示出對運行中的發動機有不利影響；格雷厄爾還表示，吸入發生畸變的邊界層氣流導致風扇效率的損失與其所帶來的收益相比“根本就不在一個數量級上”。他還補充道：“未發現任何因素能夠否定D8的構型。”