羅·羅公司民用航空發(fā)動機技術(shù)傳承與創(chuàng)新

毛茂華，黃春峰

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽621010)

1 引言

羅·羅公司是世界上最優(yōu)秀的發(fā)動機制造商之一，在民用航空、軍用航空、船舶和能源四大動力市場居于國際領(lǐng)先地位。為提供更可靠、更安全、更經(jīng)濟、更環(huán)保的動力裝置，羅·羅公司致力于先進渦輪風(fēng)扇發(fā)動機新產(chǎn)品的研發(fā)與新技術(shù)的應(yīng)用，在航空發(fā)動機研制中始終踐行技術(shù)的傳承性。其中具有代表性的是RB211系列發(fā)動機，它是世界上最早的三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，為Trent系列發(fā)動機的成功奠定了基礎(chǔ)，經(jīng)過45年的發(fā)展已無可爭辯地成為當(dāng)代大型民用航空發(fā)動機中最成功的發(fā)動機系列之一[1-2]。Trent系列發(fā)動機更是暢銷世界，正在推出的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000發(fā)動機，將分別成為 B787、A350-1000、A330neo飛機的強勁動力。同時，為未雨綢繆，應(yīng)對國際民用飛機動力強大的競爭壓力，羅·羅公司不僅注重發(fā)動機成熟技術(shù)的傳承與吸收，更是投入巨資積極探索研究發(fā)展先進航空動力新技術(shù)，始終堅持技術(shù)開發(fā)為先，如Ad?vance、UltraFan發(fā)動機項目，推進先進材料、新思想和新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用研究。

本文旨在通過介紹體現(xiàn)羅·羅公司技術(shù)傳承性的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000發(fā)動機，以及體現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新性的Advance、UltraFan發(fā)動機項目，來理解羅·羅公司在發(fā)動機研發(fā)中的傳承與創(chuàng)新思路，并從中學(xué)習(xí)、借鑒其成功的研發(fā)經(jīng)驗。

2 技術(shù)傳承型發(fā)動機

Trent系列發(fā)動機延續(xù)了RB211系列發(fā)動機的三轉(zhuǎn)子設(shè)計理念，是羅·羅公司迄今發(fā)展的性能最好的大涵道比民用渦扇發(fā)動機。下面主要介紹其中的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和 Trent 7000發(fā)動機。

2.1 Trent 1000TEN發(fā)動機

Trent 1000TEN發(fā)動機是Trent 1000系列中推出的最新型號，是B787夢幻客機的備選動力裝置(圖1)。其中的TEN分別代表推力、效率和新技術(shù)。它繼承了羅·羅公司其他在役發(fā)動機上的成熟技術(shù)，如復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、分區(qū)分級低排放燃燒室、浮動壁火焰筒、高效冷卻技術(shù)等。同時，還應(yīng)用了羅·羅公司在Trent XWB和Advance發(fā)動機項目中驗證成功的最新技術(shù)，如中壓渦輪和高壓渦輪上的新型高溫材料和熱障涂層，以及先進的“精益生產(chǎn)”管理方法。與Trent 1000Package C相比，Trent 1000TEN的耗油率降低了2%。

截止2016年，Trent 1000TEN發(fā)動機共計完成了150 h的高溫、高速運行，進行了高原、結(jié)冰、橫風(fēng)、噪聲和循環(huán)測試，充分展示了其可靠性、耐久性、操作性和功能性，并完成了型號試驗認(rèn)證。2016年3月，Trent 1000TEN在B747飛行試驗臺上進行了首飛測試，標(biāo)志著該發(fā)動機開發(fā)項目進入了新的階段。2016年12月，搭載Trent 1000TEN的B787-10客機首次試飛成功，意味著Trent 1000TEN將成為包括B787-8、-9和-10夢幻全系機型的啟動發(fā)動機。

Trent 1000TEN的推出對于羅·羅公司非常重要，一方面保持了其民用航空發(fā)動機傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢，另一方面增強了與其競爭對手GE公司抗衡的優(yōu)勢。與標(biāo)準(zhǔn)型Trent 1000發(fā)動機相比，Trent 1000TEN推力增加了26.7 kN。同時，由于部分零件采用碳復(fù)合材料，其質(zhì)量更輕、耗油率更低。

2.2 Trent XWB-97發(fā)動機

Trent XWB系列發(fā)動機不僅是當(dāng)今世界上最高效的大型航空發(fā)動機，也是迄今為止銷售最快的寬體客機發(fā)動機，已售出1 600多臺，累計飛行時間達(dá)到106h。Trent XWB-97是Trent XWB發(fā)動機系列的最新型號，將作為A350-1000的唯一動力裝置。它以Trent XWB-84為基礎(chǔ)，同時采用了創(chuàng)新先進技術(shù)，包括新的高溫渦輪技術(shù)、先進的風(fēng)扇空氣動力學(xué)技術(shù)等。特別是采用的Trent系列發(fā)動機第5階段燃燒室設(shè)計技術(shù)，更是顯示出了極強的技術(shù)延續(xù)性，火焰筒采用可拆換瓦片的浮壁式結(jié)構(gòu)，采用氣動霧化噴嘴和軸向分區(qū)燃燒，燃油燃燒充分，增加了安全性，提高了經(jīng)濟性。由于采用這些先進的技術(shù)，以及尺寸更大的核心機，使得Trent XWB-97發(fā)動機推力高達(dá)430 kN，增加了空客A350-1000的有效載荷范圍和最大起飛質(zhì)量，更具市場競爭力[3]。同時，Trent XWB-97發(fā)動機成功采用ALM新技術(shù)(3D打印技術(shù))提高了制造效率。2015年，羅·羅公司通過與國家増材制造中心合作，利用3D打印技術(shù)打印出了有史以來最大的民用航空發(fā)動機組件——直徑1.5 m的Trent XWB-97發(fā)動機前軸承座(圖2)，且經(jīng)受住了性能測試。

2016年11月，由兩臺Trent XWB-97驅(qū)動的首架空客A350-1000成功完成了首飛。2017年8月，Trent XWB-97發(fā)動機獲得了歐洲航空安全局(EA?SA)認(rèn)證。目前，羅·羅公司已制造了20臺Trent XWB-97發(fā)動機，用于試車臺測試、開發(fā)測試和飛行驗證。

2.3 Trent 7000發(fā)動機

Trent 7000發(fā)動機(圖3)是羅·羅公司為A330neo飛機研發(fā)的一款專屬發(fā)動機，是Trent發(fā)動機系列的第7個成員。其研發(fā)過程中充分借鑒了Trent 700的可靠性、Trent 1000的結(jié)構(gòu)和Trent XWB的技術(shù)，采用全三維掠形寬弦風(fēng)扇與小型高增壓比核心機，額定推力303～320 kN。與現(xiàn)役Trent 700發(fā)動機相比，其涵道比從5提高到10，總增壓比從36提高到50，耗油率降低10%，噪聲降低10 dB，每架飛機壽命周期內(nèi)能為運營商創(chuàng)造6 000萬美元的價值[4]。

Trent 7000發(fā)動機的風(fēng)扇直徑從Trent 700的2.47 m增加到2.84 m，低壓渦輪級數(shù)從4級增加到6級。盡管風(fēng)扇直徑增大增加了發(fā)動機直徑與質(zhì)量，但由于耗油率明顯改善，且在與空客公司的氣動改進措施融合后，可使A330neo飛機每座油耗降低14%。這得益于發(fā)動機的中壓徑向驅(qū)動軸系統(tǒng)。由于不與高壓轉(zhuǎn)子直接機械連接，因此快速減小供油并不會降低核心機的轉(zhuǎn)速，可以使發(fā)動機在飛行和地面滑行階段采用更低的慢車推力。除此之外，Trent 7000發(fā)動機也強調(diào)成熟技術(shù)的傳承，依賴傳統(tǒng)方法加入了引氣設(shè)計。同時，高壓渦輪葉片應(yīng)用新型熱障涂層，延長了其使用壽命；整體葉盤的使用降低了壓氣機質(zhì)量；連續(xù)可調(diào)的主動渦輪間隙控制，可在不同飛行階段提供最佳冷卻空氣量；使用新一代FADEC及發(fā)動機健康監(jiān)測系統(tǒng)。2015年11月，Trent 7000技術(shù)驗證樣機在英國達(dá)比發(fā)動機試車臺上完成首次動力運轉(zhuǎn)試驗(圖4)。2017年10月，Trent 7000發(fā)動機驅(qū)動的A330neo飛機首飛成功[5]。

3 技術(shù)創(chuàng)新型發(fā)動機

羅·羅公司根據(jù)在Trent系列發(fā)動機研發(fā)上獲得的經(jīng)驗和驗證技術(shù)，著眼于未來的飛機市場，開展了Advance和UltraFan兩款發(fā)動機研發(fā)工作。Advance發(fā)動機將比第一代Trent發(fā)動機在燃油消耗和二氧化碳排放方面減少20%以上，并可在2020年前進入市場服役。UltraFan發(fā)動機將采用一種具有變距風(fēng)扇的齒輪傳動設(shè)計，可實現(xiàn)比Trent 700減少25%以上的油耗及排放，預(yù)計2025年開始服役。

3.1 Advance發(fā)動機

Advance發(fā)動機源于羅·羅公司2012年推出的預(yù)研項目，旨在長期、持續(xù)推進大涵道比渦扇發(fā)動機技術(shù)的研究與發(fā)展。該型發(fā)動機強調(diào)技術(shù)創(chuàng)新，其核心機將采用新的高壓和中壓壓氣機、貧油燃燒室、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)封嚴(yán)段以及先進冷卻渦輪葉片。該核心機在載荷分配上有很大變化，高壓壓氣機由兩級高壓渦輪驅(qū)動以承擔(dān)更大的工作負(fù)載，而單級中壓壓氣機負(fù)載較輕，使得Advance發(fā)動機可以更經(jīng)濟的方式得到所需增壓比。Advance發(fā)動機涵道比將超過11，總增壓比將超過60，耗油率至少比當(dāng)前的Trent 700發(fā)動機改善20%，推力將高達(dá)222.5 kN。

Advance發(fā)動機目前已推出Advance 3驗證機核心機[6](圖5)。2017年6月，首臺Advance 3核心機和風(fēng)扇機匣已經(jīng)在羅·羅英國布里斯托爾工廠完成組裝，整機已于7月運往德比進行包括噪聲、熱測量、X射線檢測等多項測試。計劃2017年12月進行首次試車運行。測試時使用一臺混裝發(fā)動機，即在Advance 3核心機的基礎(chǔ)上，前端裝配Trent XWB-84發(fā)動機風(fēng)扇，后端裝配Trent 1000發(fā)動機低壓渦輪，測試將持續(xù)到2018年初。該核心機將是羅·羅公司未來大型民用發(fā)動機的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 UltraFan發(fā)動機[7]

波音公司提出了中間級市場客機概念，這種介于窄體機和寬體機之間的新型客機，需裝備推力為178～223 kN的發(fā)動機，擬在2025年前后取代B757和B767。羅·羅公司為在中間級市場客機中占領(lǐng)先機，全面推進了UltraFan發(fā)動機項目。UltraFan發(fā)動機的創(chuàng)新技術(shù)是在充分繼承的基礎(chǔ)上發(fā)展的，借鑒了Advance發(fā)動機的先進成果，通過增加齒輪系統(tǒng)形成新型發(fā)動機。驅(qū)動風(fēng)扇的齒輪系統(tǒng)將為未來大推力、大涵道比發(fā)動機提供高效動力，能夠使Ultra?Fan發(fā)動機涵道比達(dá)到15，壓比超過70，而油耗比Trent 700至少降低25%，同時實現(xiàn)可靠性提高，耗油率、使用與維修成本、噪聲均降低的技術(shù)目標(biāo)。這種動力齒輪箱位于風(fēng)扇軸和低壓壓氣機軸之間，是一種先進的星形齒輪結(jié)構(gòu)(圖6)。使用5個行星齒輪，傳動比為4：1，可讓渦扇發(fā)動機的風(fēng)扇和低壓壓氣機分別運轉(zhuǎn)在各自最優(yōu)轉(zhuǎn)速下；低壓轉(zhuǎn)子在效率較高的轉(zhuǎn)速下工作，以匹配高壓轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)速；同時，風(fēng)扇在氣動損失和噪聲都較小的較低轉(zhuǎn)速下工作，從而增大發(fā)動機涵道比。UltraFan發(fā)動機動力齒輪箱的設(shè)計輸出功率將達(dá)73 550 kW，標(biāo)志著世界上最大的齒輪傳動渦扇發(fā)動機即將面世。除此之外，還在姿態(tài)試驗臺上對模擬起飛、爬升、傾斜及降落等不同飛行階段該動力齒輪箱的在翼表現(xiàn)進行了測試?，F(xiàn)階段測試重點轉(zhuǎn)為測試耐久性和可靠性等低功率性能。

采用齒輪系統(tǒng)驅(qū)動的變距風(fēng)扇具有較大優(yōu)勢：可取消低壓渦輪，由傳統(tǒng)的三轉(zhuǎn)子變成2.5轉(zhuǎn)子；可增大涵道比，使飛機的航程延長50%，或耗油率降低30%；可實現(xiàn)傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的反推力功能，取消反推力裝置，后短艙質(zhì)量大幅度減輕；可控制非設(shè)計轉(zhuǎn)速下的失速和顫振。UltraFan發(fā)動機的變距風(fēng)扇包括22片三維新型葉片，能夠?qū)崿F(xiàn)主動間隙控制，是體積和涵道比更大的新一代風(fēng)扇。它采用與Ad?vance發(fā)動機相同的CTi風(fēng)扇葉片(圖7)和復(fù)合材料機匣。目前，CTi風(fēng)扇已經(jīng)達(dá)到技術(shù)成熟度TRL5，有望進一步提高到技術(shù)成熟度TRL6[8]。

目前，UltraFan發(fā)動機的核心技術(shù)有了重大突破。其中壓壓氣機將從目前Trent XWB發(fā)動機的8級減少到4級；中壓渦輪將從2級減少到1級，葉片長度增加；高壓壓氣機與Advance發(fā)動機的相同，與Trent系列發(fā)動機的相比增壓比更高，級數(shù)將達(dá)到10級(Trent XWB發(fā)動機的高壓壓氣機只有6級)，并由1級高壓渦輪驅(qū)動改為2級驅(qū)動；先進的貧油燃燒低排放燃燒系統(tǒng)已于2015年在B747-200飛行試驗臺上完成了飛行試驗，和在Trent 1000全尺寸發(fā)動機上進行了地面試驗。為減輕質(zhì)量，轉(zhuǎn)子將采用鈦鋁合金，而靜子將采用陶瓷基復(fù)合材料。

4 結(jié)束語

羅·羅公司在民用航空發(fā)動機領(lǐng)域所取得的巨大成就，不僅依賴于堅實的工業(yè)基礎(chǔ)、優(yōu)秀的研發(fā)團隊、科學(xué)的管理、規(guī)范的研發(fā)流程，更重要的是豐富的設(shè)計經(jīng)驗的傳承與創(chuàng)新，將已有產(chǎn)品的成熟技術(shù)不斷轉(zhuǎn)移應(yīng)用到新開發(fā)的產(chǎn)品中，并在轉(zhuǎn)移應(yīng)用中進行創(chuàng)新與發(fā)展。Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000是羅·羅公司保持傳統(tǒng)優(yōu)勢的發(fā)動機，這些改型都是在原有成熟發(fā)動機技術(shù)優(yōu)勢基礎(chǔ)上的繼承與發(fā)展，是推動該公司產(chǎn)品不斷走向成功的典型范例。Advance和UltraFan發(fā)動機則屬于創(chuàng)新型產(chǎn)品，著眼于未來的飛機市場，其集中體現(xiàn)了羅·羅公司的創(chuàng)新設(shè)計理念，突破傳統(tǒng)，采用革新技術(shù)，以使產(chǎn)品能夠占領(lǐng)未來的市場。正是基于這種傳承與創(chuàng)新相結(jié)合的思路，使得羅·羅公司的產(chǎn)品研發(fā)工作能夠持續(xù)推進，新產(chǎn)品研發(fā)碩果累累。其研制思路可為中國航空發(fā)動機的研制提供參考借鑒。

[1]黃春峰.羅·羅公司——全面動力百年輝煌[R].四川綿陽：中航工業(yè)燃?xì)鉁u輪研究院，2009.

[2]黃毓敏.全面動力系統(tǒng)方案領(lǐng)跑者——羅爾斯·羅伊斯公司[J].裝備制造，2008：62—64.

[3]依 然.羅爾斯·羅伊斯開始組裝首臺更高推力遄達(dá)XWB發(fā)動機[J].航空制造技術(shù)，2014，(9)：20.

[4]孫明霞，梁春華.遄達(dá)7000發(fā)動機的由來與發(fā)展[J].國際航空，2015(12)：54—55.

[5]羅爾斯·羅伊斯.遄達(dá)7000助力空客A330neo首次試飛[N/OL].http://m.sohu.com/a/199209187-716058.

[6]晏武英.羅·羅公司Advance3下一代發(fā)動機驗證機通過評審[N/OL].中國國防科技信息網(wǎng)，2015-06-04.http://m.sohu.com/n/414439445/.

[7]孫明霞.羅·羅公司超扇發(fā)動機研制進展[J].國際航空，2016，(3)：61—62.

[8]Norris G.Rolls-Royce gearbox and ceramics work aim at next-gen engines[J].Aviation Week&Space Technology，2016.