「波音787夢幻客機的引擎」( GEnX )

上一期我們介紹「波音787夢幻客機」(Dreamliner),這一期讓我們談談飛機的心臟 -- 「引擎」(Engine)、又稱「發動機」。日益精進的科技所研發出來的新型發動機,可讓滿載乘客或貨物的飛機飛上四萬三千英呎的高空,航程飛越半個地球,這可以說是人類工程技術成就的奇蹟。

新冠疫情肆虐使得美國關閉國際航線,使得法航從大溪地到巴黎的航線不得不喊卡。大溪地是在法國屬地波利尼西亞,飛往巴黎屬於法國國內航線,但是因為航程太遠必須停靠洛杉磯加油。因為美國不同意國際航班降落加油,法航就不得不另尋出路,答案是採用Boeing 787 夢幻客機直飛 -- 航程15,700公里,耗時16.5小時創下了世界紀錄。為什麼787夢幻客機做得到,主要由於它有兩具巨大超強、又省油的飛機引擎–「通用電氣」(General Electric, GE)所發展的新世代引擎 GEnX (GE next generation)。

來源:波波音公布787 DreamlinerGEnX引擎

 

 噴射引擎

首先讓我們介紹一下噴射引擎原理,基本上它像氣球一樣,一個吹得鼓漲的氣球一鬆手氣體往外噴,同時氣球就往前飛;氣球越鼓漲代表氣體壓力越大,就能飛得更快、更遠 -- 好的噴射引擎也一樣,它要能承受高溫、高壓所產生的高能量、高流量的噴氣,不過現代飛機引擎還有更多的要求,那就是要省油、重量輕、噪音小、空汚低等條件。

來源:波音公布GEnX引擎的剖面圖

 

噴射引擎結構上可分成四段:吸氣、壓縮、燃燒、排氣。位於最前端的第一段是吸氣段,有別於火箭需要自帶氧化劑,因為飛機在大氣中飛行,氧氣可以取自於外界空氣。GEnX吸氣段的直徑有9.25呎(3.22m),在起飛時扇葉轉速達2400 rpm, 每秒鐘進氣量1.2噸,但是只有265磅空氣會進入燃燒室,其它都從外圍分流出去了。所以GEnX屬於高分流引擎,其「分流比」(Bypass Ratio) 是9 : 1。這麼大量的分流空氣雖然沒有再加壓燃燒,而是直接噴出也是會產生一定的推力達到省油的功效。

引擎的第二段是壓縮段:壓縮段又分兩級分別為「低壓壓縮段」(Low Pressure Compressor, LPC)和「高壓壓縮段」(High Pressure Compressor, HPC)。GEnX的LPC有四環渦輪葉片進行初步加壓,可將空氣溫度從攝氏11度提高到攝氏80度。GEnX的HPC有10環渦輪葉片,再度加壓把氣溫提高到攝氏600度,這時的氣壓已經超過40倍大氣壓力,達到最高峰。

引擎的第三段是燃燒段:從HPC出來的高溫高壓的空氣被灌進「燃燒室」(Combustion Chamber),此時燃料室內的環狀燃油噴嘴經過「電子引擎控制系統」(Electronic Engine Control, EEC),跟據飛行推力指令,噴出適當的油量進行燃燒,燃燒室的溫度高達攝氏2700度 -- 這段引擎材料必須採用陶瓷材料,以因應燃燒室的高溫高壓環境。

引擎的第四段是噴氣段:這一段也是渦輪段。高溫高壓燃燒氣體的能量除了要產生推力之外,部分動能還要用來轉動噴氣段的兩段渦輪葉片 – 噴氣段渦輪也有兩級,「高壓渦輪」(High Pressure Turbine, HPT) 和「低壓渦輪」(Low Pressure Turbine, LPT)。高溫氣體先經過兩環葉片的HPT轉動渦輪 ,再通過有七環葉片的LPT轉動渦輪(參見上圖的引擎尾端),以帶動引擎前端的進氣道風扇、兩級壓縮段的轉軸、以及其附屬的齒輪箱。最後熱氣從引擎尾部噴嘴噴出産生推力 -- 推力是由噴嘴噴出的燃燒氣體和前端分流出90%空氣所共同產生的。

 

GEnX引擎的設計創新

飛機噴射引擎是要依靠外力才能夠啓動,啓動裝置是靠「補助動力裝置」(Auxiliary Power Unit, APU)。APU是安裝在飛機機身最尾端、一個靠電動馬達起動的小型渦輪引擎,高速旋轉的傳動軸,經齒輪箱去轉動發電機,推動液壓泵,再由產生的「高壓氣流」(Bleed Air)灌入主引擎燃燒室後,就可以啓動發動機。

Boeing787夢幻客機GEnX的引擎啓動不同於一般引擎,它不是靠APU的Bleed Air去啓動,而是靠APU所產生的「電力驅動電動馬達」來啓動的。此種設計省去了不易維修的APU高壓管線。

此外,GEnX 引領新世代噴射引擎還來自設計、材料、及製造工藝上的突破,例如前面提到GEnX是「高分流比引擎」(High Bypass Ratio Engine),相較於一般引擎的5.7 : 1 的「分流比」(Bypass Ratio),它提高到9 : 1,高分流比引擎可以有效提高省油功能。要增加高分流比,就必須是高進氣量,所以引擎前端進氣道的扇葉就要加大 -- 進氣道扇葉的作用除了吸氣供氧燃燒外,還有螺旋漿推進的功能。但是,扇葉直徑也不能過大,因為前端扇葉和後端渦輪是同在一根轉軸上,所以轉速是一樣;直徑太大的扇葉的葉尖速度可能超過音速而產生震波,這又會大大的增加轉軸阻力。

增加扇葉直徑會增加其所受離心力F(= m x ω2 x r),其中r是扇葉質心至旋轉中心距離,扇葉直徑越長,r值愈大,離心力F越大。在「轉速」(ω)不變之下,要使離心力不增加,那只能在「扇葉質量」(m)上下手了。GEnX 的扇葉材料從原先的鈦合金,改成上期在787夢幻客機所提到的碳纖維CFRP,它的「應變重量比」(strain / weight ratio)及其硬度都比鈦合金好。CFRP作為扇葉材料,使得GEnX 的扇葉數從22片減少到18片、並減重15%。不過CFRP扇葉材料的缺點是受衝擊易脆 -- 這點很重要,因為引擎非常容易吸進飛鳥,會打壞進氣扇葉或渦輪葉片,所以GEnX碳纖維(CFRP)扇葉的「前緣」(leading edge)還是包覆鈦合金。

 

高壓縮比

GEnX 的另一性能改善是:提高「壓縮比」(Overall Pressure Ratio),引擎的壓縮比可高達58 : 1。提高壓縮比可借由增加葉片級數來增加,但是這是耗油增重的做法,並不可行。GEnX是從葉片設計、材料以及製作成型上下手,要達到不但增壓,同時還能減重。

在壓縮段增壓太多,會使得燃燒氣溫增高,而造成燃燒火焰產生大量NOx污染廢氣。燃燒室的溫度取決於「油氣混合比」(mixing ratio),在最佳油氣混合比狀態下會產生最高溫度,但是這並不是引擎設計師要追求的;因為過高的燃燒溫度對耐高溫材料的要求會提高,同時又會產生NOx氣體污染的問題。所以,燃燒室需要降溫,而降溫方法有兩種:一種是注入過多的燃油造成所謂的富油燃燒狀態;反之,另一種是所謂的貧油燃燒狀態 -- GEnX利用非常巧妙的噴油嘴設計,造成貧油燃燒解決了高溫的問題。這個噴油系統稱為「雙環預混旋流器」(Twin Annular Premixing Swirler, TAPS),是由美國NASA 和GE公司 在1995年開始研發,經過長達26年的研發,最後依靠3D列印技術逐漸成熟,這種內部型狀複雜的元件才得以製造出來,使得油氣混合達到最佳設計狀態,並減少60%的NOx廢氣排放。

來源:GEnX「雙環預混旋流器」(Twin Annular Premixing Swirler, TAPS

 

引擎噪音

來源:GEnX引擎罩尾部設計

 

GEnX引擎另一創新設計是它的引擎罩尾部設計。新型引擎罩尾部成鋸齒狀,稱為「扇貝形」(Scalloping)、或者稱為「人字形噴嘴」(Chevron Nozzle)。因為通過引擎的氣流速度遠大於外界氣流,當兩股氣流相遇而混合時會產生不可控制的「渦流」(vortex)會產生噪音 -- 這一點有點像瀑布落在水潭的聲音現象。

人字形噴嘴可以把渦流變小,使得兩股氣流混合和緩。GEnX引擎在外殻及燃氣噴嘴尾端均採用鋸齒形,這種設計使得噪音減少30%,因為引擎噪音減小,機身的隔音層就可以不用那麼厚,飛機重量又可以更加減輕。

 

結語

GEnX引擎的開發成功,對航空工業產生大躍進式的貢獻,這些成就主要是靠日積月累的經驗,以及鍥而不捨的精神。試想一個噴油元件就可以花上26年的時間研究開發,這種「衣帶漸寬終不悔,為伊消得人憔悴」的堅持才是值得我們學習的地方。

 

附註一:

Powering the Dreamliner: How the 787’s GEnX Engines Work, by Charlie Page, August 3, 2019, The Points Guy.

 

附註二:

TAPS II Technology

Final Report – Technology Assessment Open Report

June, 2013 by Rick Stickles, TAPS II Combustor Technology Program Manager & Jack Barrett, Program Manager

 


作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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