空中巨无霸的心脏——空客A380的发动机

科技   2024-04-25 23:32   德国  
空客A380是人类有史以来建造过的最大的客机,72.72米,翼展79.75米,最大起飞重量575吨,三舱布局下可运载500多人。

这架空中巨无霸由4台发动机驱动,可供选择的有两款,分别是美国发动机联盟Engine AllianceGP7200和英国罗尔斯·罗伊斯RollsRoyce,罗罗)公司的Trent 900。两者的尺寸和性能相近,推力均达30多吨。

这架展出于法国航空航天博物馆的A380原型机使用的是GP7200发动机。发动机联盟是美国两大航空发动机巨头——通用电气General ElectricGE和普拉特·惠特尼Pratt & Whitney,普惠)50%对50%的合资企业,GP7200是其唯一一款推向市场的产品。

航空煤油和经过压缩的空气在发动机的燃烧室内混合燃烧,产生高温高压燃气,驱动涡轮做功,是发动机的能量之源。GP72002级高压涡轮驱动9级高压压气机,构成高压转子,再加上燃烧室构成核心机,由GE提供;6级低压涡轮驱动风扇和5级低压压气机,构成低压转子,由普惠提供。涡扇发动机的解剖请看:效率为王,风扇先行

虽然展示机的发动机只有个空壳子(机匣),但发动机内/外涵道的构造清晰可见。压气机-燃烧室-涡轮所处的发动机内圈为内涵道,若直接把这股气流喷射出去涡轮喷气发动机,气体的动能和内能被大量浪费掉,推进效率并不高。在涡轮风扇发动机中,低压涡轮负责汲取燃气的绝大部分能量,传递给最前方的风扇,把进气加压。除了一小部分空气进入内涵道,大部分空气通过发动机外圈的环形空间(外涵道)膨胀喷出,产生发动机的绝大部分推力。流经外/内涵道的空气流量之比被称为涵道比,涵道比越高,说明燃气的能量利用越充分,发动机效率越高。空客A380所用的这两款发动机的涵道比都在8以上,而近些年最新型发动机的涵道比可达10以上。

展出于法国航空航天博物馆的Trent 900

罗罗与造豪车的劳斯莱斯同源,1973年被拆分,约定俗成取不同的中文译名。

Trent(遄达)是罗罗的三转子大涵道比涡轮风扇发动机系列,其特征是三转子结构,例如Trent 900从前往后分别是1级风扇、8级中压压气机、6级高压压气机、燃烧室、1级高压涡轮、1级中压涡轮和5级低压涡轮,低、中、高压涡轮分别带动风扇、中压压气机和高压压气机。

三组转子在机械上相互独立,使各部件都能运转在最佳转速,尤其是把低速的风扇和需要高速的压气机分离开(风扇最大转速2900rpm,中压转子8300rpm,高压转子12200rpm,提升工作效率,但也使发动机整体结构更加复杂。

高压涡轮直面高温燃气,温度可达1500℃以上,叶片由镍基高温合金单晶制成,请看:烈火炼雄心——高温合金叶片的精密铸造与加工

到低压涡轮处,气流温度逐渐降低到1000℃以下(上图为从Trent 900的背后看它的低压涡轮叶片)。在用于空客A350的新款Trent XWB发动机上,最后一级低压涡轮叶片(工作温度约七八百度)采用了中科院沈阳金属研究所研制的钛铝合金叶片(请看:”——钛铝合金叶片的精密铸造,相比于传统的镍基高温合金叶片有显著的减重效果。

风扇叶片尺寸巨大,要求轻质、高强,还要具备符合空气动力学的复杂曲面外形。Trent 900的风扇直径2.95米,由24片空心钛合金叶片组成,采用超塑成形/扩散连接工艺制造。请看:航空发动机的风扇大叶片是如何制造的?

上述两款发动机的核心机都是从最大的双发客机——波音777所用的发动机(上图中的GE90,以及Trent 800基础上缩小而来。这也是当代民航发动机研发的一个特点:从一款核心机出发,通过尺寸缩放和匹配相应的低压部分,可以获得适用于不同机型的一系列发动机,从而占领更多市场。

空客A380项目集齐了世界三大航空发动机制造商,其中美国的发动机联盟在装机量上略占上风。在西方各个民航飞机项目上,它们或一家独大,或三足鼎立,或合纵连横,几乎不可撼动。


2005年,A380这一人类航空工业的奇迹首次飞上蓝天,但成也萧何败也萧何,巨大的体型带来高昂的运营成本压力,使它在商业上并不成功。

德国慕尼黑机场的汉莎航空A380,慕尼黑机场是欧洲客流量排名第十的机场,汉莎航空以14架的订购量成为欧洲最大的A380用户

只有最繁忙的超级枢纽机场之间的航线才能喂饱它容量大于500人的客舱,但四台先进发动机再怎么省油,终究比不过尺寸上小一号的波音777系列、空客A350-1000(三舱布局载客300-400人)这类双发客机。波音787系列、空客A350-900(还有未来的C929这类尺寸适中(载客300人左右)、航程远、油耗低的新一代双发客机不仅降低了运营成本,还能更灵活地应用于许多大中型机场之间的直飞航线,让乘客免去转机之苦,成为民机市场上的新宠。2021年,因为缺乏订单,空客停产A380,总产量定格在251架,远远未收回项目成本。它曾经超越的对手——“空中女皇波音747也于2022年停产,结束了她55年累计生产1574架的传奇。

江山代有才人出,请看:空中的复合材料之王——空客A350XWB复合材料机身浅析


  

从四发到双发,航空发动机技术的发展带来更强劲的动力、更高的可靠性、更低的油耗,是国际航空工业格局洗牌的幕后推动力之一。

先进航发的研制道阻且长。我们曾经望尘莫及,如今看到了望其项背的希望。只要坚定地走下去,我相信未来我们必将闯出自己的广阔天地!

  


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材闻窗外事
材料小博士,其实不打铁。 虽无球差校正眼,但怀扫描透射心。 尝试从一闪而过的荧屏画面中解读材料科学密码,见证中国科技进步。
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