發(fā)動機競賽下一棒：羅羅發(fā)力齒輪技術(shù)

胡勤

如果用一個詞概括羅爾斯·羅伊斯（羅羅）公司現(xiàn)役大型航空發(fā)動機的特點，那一定是：“三軸”。的確，這個在航空業(yè)獨樹一幟的大型發(fā)動機結(jié)構(gòu)，奠定了羅羅公司數(shù)十年來成功的基礎(chǔ)，羅羅公司對此更是深信不疑。但如果要概括十年后羅羅公司大型航空發(fā)動機的特點時，這個詞則是：“齒輪”。

今年年初，羅羅公司公布了未來十年發(fā)動機的設計藍圖，對其技術(shù)路線和發(fā)展規(guī)劃做了簡要闡釋，首次明確提出在其大型商用發(fā)動機上使用齒輪傳動技術(shù)，并計劃采取“兩步走”的戰(zhàn)略完成技術(shù)過渡。日前，羅羅全球研究及技術(shù)總監(jiān)理查德·帕克（Ric Parker）在北京接受了《環(huán)球飛行》記者的專訪，他詳細介紹了羅羅未來設計藍圖的技術(shù)細節(jié)，并就行業(yè)關(guān)注的焦點問題回答了記者的提問。

“三軸”的生命力

羅羅的“三軸”發(fā)動機技術(shù)始于20世紀60年代，并隨著RB211發(fā)動機的巨大成功得以鞏固，在商用發(fā)動機市場的競爭中成為一支舉足輕重的力量。目前，GE公司和普惠公司研發(fā)的現(xiàn)役大型航空發(fā)動機均采用“雙軸”設計，發(fā)動機中的風扇、低壓壓氣機和低壓渦輪通過軸連接組成低壓系統(tǒng)，高壓壓氣機和高壓渦輪通過另一根軸連接組成高壓系統(tǒng)。而“三軸”設計增加了由中壓壓氣機和中壓渦輪組成的中壓系統(tǒng)，發(fā)動機風扇直接由低壓渦輪驅(qū)動。

在“三軸”系統(tǒng)中，三個互相獨立的轉(zhuǎn)動軸各成一體，使得壓氣機和渦輪能在更接近于最佳條件下工作，從而提高發(fā)動機效率、減少壓氣機與渦輪級數(shù)。各軸的轉(zhuǎn)速還可根據(jù)需要相對獨立地調(diào)節(jié)，擴大了穩(wěn)定工作范圍。

由于采用“三軸”設計，羅羅發(fā)動機上的很多改進項目，都能較容易地應用在各種型號上。這種邊用邊改的方法可以使用戶以最經(jīng)濟的代價逐步提升其發(fā)動機性能。

這種結(jié)構(gòu)布局還使發(fā)動機在較低的渦輪進口溫度下能達到較高的推力，因此發(fā)動機的熱端部件壽命更長，降低維護費用。此外，發(fā)動機單元體設計可以進一步降低維修的難度。

在遄達發(fā)動機此前的改進過程中，羅羅往往是通過增加中壓系統(tǒng)的工作負荷來提升發(fā)動機能力。而在羅羅“兩步走”戰(zhàn)略的第一階段中，“新型Advance發(fā)動機突破常規(guī)，減輕了中壓系統(tǒng)的工作負荷，讓高壓系統(tǒng)承擔更大負載，”帕克表示。相比目前最先進的遄達XWB發(fā)動機，Advance發(fā)動機的高壓系統(tǒng)將采用10級高壓壓氣機和2級高壓渦輪，而非目前的1級高壓渦輪。同時，中壓壓氣機的級數(shù)將從現(xiàn)有遄達XWB的8級縮減為4級左右，而中壓渦輪的級數(shù)將從2級縮減為1級。

“更重要的是，新配置與未來的UltraFan發(fā)動機具有了巨大的相通性，這是一種能夠適應未來需求的結(jié)構(gòu)，”帕克表示。此外，羅羅還計劃在Advance發(fā)動機上首次采用重量更輕的復合材料碳/鈦合金風扇葉片、復合材料機匣和輕量化的低壓渦輪系統(tǒng)。

沿用“三軸”設計的Advance發(fā)動機預計可以在2020年前后投入使用，其涵道比高達11：1，總壓比超過60：1，燃油效率比第一代遄達發(fā)動機至少高20%。

齒輪的“使命”

事實上，羅羅并不是第一個將齒輪傳動技術(shù)應用到大型航空發(fā)動機的公司。早在2008年，普惠公司在當年的范堡羅航展上宣布為新一代單通道飛機研制齒輪傳動發(fā)動機。目前，首款采用齒輪傳動發(fā)動機的龐巴迪C系列飛機已于去年完成首飛，正在進行最后的適航驗證沖刺；而普惠齒輪傳動發(fā)動機中最重要的機型——空客A320neo已經(jīng)完成首飛，計劃在明年交付用戶。

相比競爭對手，羅羅為何計劃在10年后才使用齒輪傳動技術(shù)？帕克給出了他的解釋：“相比于傳統(tǒng)的兩軸發(fā)動機結(jié)構(gòu)，三軸發(fā)動機的獨特適應性，使得羅羅發(fā)動機在高達11：1的涵道比時依然具有極高的效率，這一點在傳統(tǒng)兩軸發(fā)動機上難以實現(xiàn)?！?/p>

“即使是采用三軸設計，我們依然沒有到達變速箱的重量和復雜性超越低速、低效組件的重量和復雜性的臨界點。這主要是因為我們的風扇轉(zhuǎn)子上沒有低壓壓氣機。相反，我們配備了可以自行優(yōu)化轉(zhuǎn)速的中壓壓氣機。因而直到今天，對三軸結(jié)構(gòu)來說，齒輪技術(shù)并不是必需的?！迸量吮硎?。

在齒輪傳動領(lǐng)域，羅羅的技術(shù)積累不可小覷。目前，已經(jīng)投入使用的美國第5代戰(zhàn)機F-35B的升力風扇，采用了羅羅的齒輪傳動技術(shù)。帕克表示：“羅羅擁有先進的大功率齒輪傳動技術(shù)，F(xiàn)-35B升力風扇的推力高達29000磅，而且效率極高。”

為了應對更大功率齒輪箱研發(fā)的挑戰(zhàn)，羅羅斥資8700萬美元在德國建設了UltraFan發(fā)動機齒輪箱測試平臺。帕克表示：“這是一項龐大的計劃，該計劃將采用Advance發(fā)動機的核心機，并在其周圍配置新型低壓系統(tǒng)，并通過英國和德國的國家項目來提供部分資金?！?/p>

盡管承認UltraFan發(fā)動機的齒輪將是一種星形齒輪裝置，但羅羅并沒有明確包括齒輪比在內(nèi)的技術(shù)細節(jié)?！拔覀兦宄刂阑鶞适鞘裁?，只是必須要對其進行驗證?！迸量吮硎荆骸褒X輪比大致為3：1，也許更高一些，還沒有最終確定。”

通過引入齒輪系統(tǒng)，UltraFan發(fā)動機將完全取消現(xiàn)有低壓渦輪，這也意味著羅羅發(fā)動機不再是真正的三軸結(jié)構(gòu)，而是“兩軸半”配置。羅羅關(guān)于齒輪箱和相關(guān)滑油系統(tǒng)的測試將一直進行到2015年年底。

“第一次就做對”

根據(jù)羅羅公布的設計藍圖，未來發(fā)動機的主要技術(shù)亮點包括：采用CTi碳纖維鈦合金風扇葉片、復合材料機匣，陶瓷基復合材料（CMC），齒輪傳動技術(shù)和新型貧油燃燒系統(tǒng)等。然而，這些技術(shù)在競爭對手的“產(chǎn)品介紹”中同樣存在，而且相當一部分技術(shù)將先于羅羅投入市場。

“在羅羅，我們信奉‘第一次就做對的宗旨。新材料的應用可能影響產(chǎn)品可靠性和交付時間，市場此前已經(jīng)有了先例和教訓?！迸量吮硎荆骸拔覀儠髦剡x擇運用技術(shù)的時機，確保質(zhì)量和安全，并力求將成本降至最低?！?/p>

據(jù)帕克介紹，他本人自1992年起就致力于復合材料的研發(fā)，“那時候昂貴的成本阻礙了商業(yè)應用，從超級合金、鈦鋁合金到碳纖維和陶瓷基復合材料，我們力求實現(xiàn)空氣動力學表現(xiàn)與材料強度之間的平衡，以滿足航空制造業(yè)對性能、成本、可靠性及環(huán)境表現(xiàn)不斷提高的要求?！?/p>

盡管羅羅認為其空心鈦風扇葉片仍然具有競爭力，但隨著風扇直徑的日益增大和材料經(jīng)濟性不斷提升，“是時候使用復合材料風扇了”，新材料的使用預計會讓每臺發(fā)動機的重量減輕750磅?！皫资陙砦覀円恢痹诒O(jiān)控行業(yè)發(fā)展，等待技術(shù)成熟到足以投入商業(yè)化運營時投入使用。”帕克表示。

UltraFan發(fā)動機還將采用可變距葉片技術(shù)，新型超薄短艙設計等全新技術(shù)。由于風扇可以在所有飛行階段改變節(jié)距，短艙內(nèi)將不會設置反推力裝置。UltraFan發(fā)動機中壓渦輪的旋轉(zhuǎn)部件將采用鈦鋁合金材料，而燃燒室噴嘴等靜止部件將采用陶瓷基復合材料（CMC）。

據(jù)帕克透露，羅羅正在研究諸如“葉環(huán)”和“間冷”等“更具長期性和前瞻性”的技術(shù)。整體葉環(huán)技術(shù)（bling，裝有葉片的環(huán)）是現(xiàn)有葉盤技術(shù)（blisk，裝有葉片的圓盤）的演變，更輕且更加堅固。間冷技術(shù)是指通過冷卻壓氣機中氣流的溫度，減少壓氣機加壓所需的能量，滿足高總壓比要求，進而提高發(fā)動機熱效率，并降低氮氧化物排放。作為歐洲“新型航空發(fā)動機核心機”（Newac）項目的一部分，羅羅已經(jīng)對基礎(chǔ)的“間冷”空氣系統(tǒng)進行了測試。