渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)入新齒輪時代

子寧

現(xiàn)代民航客機(jī)的動力普遍為大推力（大于70千牛）渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，與渦噴發(fā)動機(jī)相比，其具有推力大、油耗低、噪音小等特點(diǎn)，此類發(fā)動機(jī)的主要動力來源由低壓渦輪直接驅(qū)動的風(fēng)扇提供。低壓渦輪不僅驅(qū)動風(fēng)扇，還驅(qū)動同在一根軸上的低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。這種設(shè)計(jì)雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是卻具有一個先天性問題——風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)無法分別在它們的最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間工作。

造成這個問題的原因得從噴氣發(fā)動機(jī)的工作原理說起。早期的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)沒有風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，主要推力來自從渦輪后噴出的高溫高速射流，但由于渦噴發(fā)動機(jī)直徑較小，導(dǎo)致空氣流量小，推力級別無法有較大提升。同時，由渦輪直接噴射出的氣流溫度超過800攝氏度，這些熱量沒有轉(zhuǎn)化為動能，而是直接排放，造成能量浪費(fèi)。因此渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

與渦噴相比，渦扇發(fā)動機(jī)在低壓壓氣機(jī)前增加了一級直徑較大的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，這樣，發(fā)動機(jī)的主要動力來源不再是渦輪后的射流，而是靠風(fēng)扇“吹”出的冷空氣。動量守恒定律告訴我們，單位時間內(nèi)流經(jīng)風(fēng)扇涵道的冷空氣越多（質(zhì)量越大），速度越快，推力就越大，因此理論上只要增大風(fēng)扇直徑和轉(zhuǎn)速，就可獲得更多推力。

但是，決定推力大小的風(fēng)扇直徑與轉(zhuǎn)速不能無限放大，主要受限條件為噪音、葉片效率以及葉片榫根和風(fēng)扇輪盤的強(qiáng)度。為滿足這些限制，風(fēng)扇葉尖切線速度一般都不會超過400～450米/秒，因此如果增加風(fēng)扇直徑（保證空氣流量），必須降低轉(zhuǎn)速。但是，與風(fēng)扇共軸的低壓壓氣機(jī)卻需要較高的轉(zhuǎn)速（大于7 000轉(zhuǎn)/分鐘）保證增壓效率。兩者相互制約，均無法以最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間工作。

為緩解兩者的轉(zhuǎn)速問題，三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。與雙轉(zhuǎn)子相比，三轉(zhuǎn)子明顯的優(yōu)點(diǎn)是：相同增壓比下級數(shù)少，可調(diào)靜子葉片和放氣活門少，轉(zhuǎn)子短，轉(zhuǎn)子剛性好以及啟動加速性能優(yōu)秀。但是，三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)也十分突出——結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，支承、傳力、潤滑十分困難，低壓渦輪級數(shù)多，維護(hù)性差。因此目前世界上只有英國羅羅公司的RB211，遄達(dá)系列，英、意、德三國合作生產(chǎn)的RB199以及前蘇聯(lián)的D18T、D36等少數(shù)發(fā)動機(jī)采用三轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。

2016年1月20日，德國漢莎航空正式接收了安裝有普惠靜潔動力PW1100G-JM發(fā)動機(jī)的首架空客A320neo客機(jī)。A320neo的成功交付也標(biāo)志著21世紀(jì)綠色航空的一個全新起點(diǎn)。

為了使風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)達(dá)到它們的最佳工作轉(zhuǎn)速，人們想到了在兩者之間增加減速器。在此情況下，帶齒輪減速器的渦扇發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而由普惠公司生產(chǎn)的靜潔動力?其PW1100G-JM型發(fā)動機(jī)齒輪傳動式渦扇TM發(fā)動機(jī)（GTF）歷經(jīng)數(shù)年研發(fā)試驗(yàn)，已于2016年1月20日為交付德國漢莎航空的首架A320neo提供動力。

這臺裝機(jī)的PW1100G-JM為普惠靜潔動力PW1000G發(fā)動機(jī)系列中的一員，根據(jù)普惠發(fā)動機(jī)命名規(guī)則，第一位數(shù)字“1”或“1000”代表“代級”，第二位數(shù)字為飛機(jī)制造商（1為空客），最后兩位為發(fā)動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)推力，字母“G”則是該系列發(fā)動機(jī)的精髓——齒輪（gear）減速器。

PW1000G發(fā)動機(jī)在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與低壓壓氣機(jī)之間安裝了一臺齒輪減速器，因風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，提供動力的渦輪軸扭矩減小，其總級數(shù)較沒有安裝減速器的同級別發(fā)動機(jī)有了巨大改變，它比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)在葉片輪盤結(jié)構(gòu)上少了至少6個級數(shù)，單是低壓渦輪級一項(xiàng)，就比其他同類發(fā)動機(jī)減少了約2 000片葉片，極大降低了各項(xiàng)成本。

齒輪減速器的應(yīng)用使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降，最直接的好處體現(xiàn)在噪音降低，根據(jù)普惠官方數(shù)據(jù)，靜潔動力系列發(fā)動機(jī)可將飛機(jī)噪音減少75%。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的下釋放了低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速空間，提高了增壓效率，使壓縮空氣可以更充分的和燃油在燃燒室中混合燃燒，普惠官方給出的指標(biāo)為“燃油消耗率降低15%”，而運(yùn)營方漢莎航空在2月12日表示，“降低15%的油耗不僅已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，還有所超越?！币?，一款全新的發(fā)動機(jī)要達(dá)到設(shè)計(jì)油耗指標(biāo)，往往需要一定的磨合時間，而PW1100G-JM在初裝之際就超越標(biāo)準(zhǔn)，無不體現(xiàn)其優(yōu)秀的性能。

當(dāng)然，齒輪傳動式渦扇發(fā)動機(jī)并非普惠一家，阿斯泰方、ALF502、TFE731以及LF500系列發(fā)動機(jī)均采用了齒輪減速器，由于當(dāng)時的技術(shù)限制，這些早期的、在渦軸發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上改型而成的小型齒輪傳動渦扇發(fā)動機(jī)，減速器不僅體積與質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷的情況下，齒輪、支承齒輪的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境會變得異常惡劣，極易發(fā)生故障，這些大大限制了該結(jié)構(gòu)在渦扇發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用。小型渦扇都是如此，更不要提在推力更大的大型渦扇發(fā)動機(jī)中應(yīng)用齒輪減速器。因?yàn)檫@需要減速器在極高的輸入轉(zhuǎn)速（約10 000轉(zhuǎn)/分鐘）和極高的傳動功率（大于30 000千瓦）下安全、可靠地工作。這在20世紀(jì)90年代的技術(shù)條件下無法做到。

時至1998年，普惠公司公布了一項(xiàng)新型發(fā)動機(jī)的發(fā)展計(jì)劃——齒輪傳動風(fēng)扇的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)PW8000，這是大推力發(fā)動機(jī)中第一種采用齒輪傳動的大涵道比發(fā)動機(jī)，由單級風(fēng)扇，3級低壓、5級高壓壓氣機(jī)，1級高壓和3級低壓渦輪組成。該減速器傳動功率為23 860千瓦，減速比約為3：1（輸入轉(zhuǎn)速9 160轉(zhuǎn)/分鐘，輸出轉(zhuǎn)速3 250轉(zhuǎn)/分鐘），具有體積?。ㄍ鈴?.457米）、質(zhì)量輕（640千克，每100馬力質(zhì)量僅0.98千克）、可靠性高和傳動效率高（99.5%）等特點(diǎn)。因傳動效率高，不僅功率損失小，而且用于冷卻、潤滑齒輪傳動裝置的滑油升溫僅27攝氏度，大大減小了散熱器的體積。然而，由于當(dāng)時并沒有飛機(jī)選用該發(fā)動機(jī)，這臺涵道比高達(dá)11、推力為116～162千牛的PW8000研發(fā)工作宣布終止。

PW8000項(xiàng)目雖然終止，但齒輪系統(tǒng)的概念卻在PW308核心機(jī)上得到了發(fā)展。2005年，在“綠色航空”形勢的驅(qū)使下，普惠重啟了具有齒輪傳動風(fēng)扇的大涵道比發(fā)渦扇發(fā)動機(jī)研發(fā)工作，并于2008年將此發(fā)動機(jī)命名為“靜潔動力”PW1000G。

目前，除已裝機(jī)漢莎航空A320neo的PW1100G-JM發(fā)動機(jī)外，其他推力級別，或適用其他機(jī)型的GTF發(fā)動機(jī)也在穩(wěn)步向前，2015年11月11日，普惠PW1200G發(fā)動機(jī)就為日本支線客機(jī)MRJ的首飛提供了動力。日后將為巴航E190提供動力的PW1900G也已開始了空中測試試驗(yàn)。中國方面，四川航空選擇了24架以PW1100G-JM發(fā)動機(jī)為動力的A320neo，成為首家直接訂購靜潔動力發(fā)動機(jī)的中國航空公司。這批飛機(jī)預(yù)計(jì)于2017年開始交付。

責(zé)任編輯：陳肖