德溫特航空提出混合渦扇發(fā)動機新概念

■ 廖忠權/中國航發(fā)研究院

英國德溫特航空（Derwent Aviation）公司提出了一種混合渦扇發(fā)動機概念，作為當前常規(guī)渦扇發(fā)動機和未來分布式混合電推進發(fā)動機的過渡解決方案。通過采用創(chuàng)新的雙驅動增壓器（DDB），在不大改動發(fā)動機結構的基礎上，使發(fā)動機比當前的Leap發(fā)動機和PW1100G發(fā)動機油耗更低，并顯著降低NOx排放。

目前大家所熟知的齒輪傳動風扇（GTF）發(fā)動機，是由低壓渦輪軸驅動一個減速齒輪箱，齒輪箱連接風扇軸驅動風扇。而2010年成立的德溫特航空提出一種雙驅動增壓器（Dual-Drive Booster，DDB）概念，其工作原理與GTF完全不同，可以作為當前常規(guī)渦扇發(fā)動機和未來分布式混合電推進發(fā)動機的過渡解決方案。

DDB工作原理

根據(jù)德溫特航空的設計，DDB齒輪箱被安置在常規(guī)渦扇發(fā)動機的高壓壓氣機和低壓壓氣機之間，由發(fā)動機高壓渦輪軸驅動行星齒輪箱的太陽輪，低壓渦輪軸驅動行星輪，行星輪驅動一個外圍環(huán)繞的環(huán)形齒輪，環(huán)形齒輪通過一根軸驅動前面的低壓壓氣機和風扇。據(jù)稱，采用這種結構可使低壓壓氣機的轉速比傳統(tǒng)雙軸發(fā)動機的低壓壓氣機轉速更高，從而提高總壓比和效率。

德溫特航空的工程顧問羅布·賽利克（Rob Sellick）稱：“DDB齒輪箱被視為一個平均（或速度求和）變速箱，三根軸中任何一根軸的轉速都是其他兩根軸的速度的平均值或平均值的固定倍數(shù)”。低壓壓氣機以高壓渦輪軸和低壓渦輪軸之間的平均速度運行。高壓渦輪軸在起飛和慢速的速度比約為2∶1，低壓渦輪軸的起飛和慢速比約為5∶1，低壓壓氣機的起飛和慢速比為3∶1。

DDB結構還可以與電動機/發(fā)電機集成。如果需要集成，可將電動機/發(fā)電機安裝在DDB齒輪箱前面的壓氣機軸里，可從發(fā)動機提取電力或給發(fā)動機提供電力，從而顯著提高發(fā)動機的效率。內置電動機/發(fā)電機的架構將取消發(fā)動機外部附件齒輪箱。德溫特航空的設計人員表示，低壓壓氣機區(qū)域的熱環(huán)境不像在其他位置那么惡劣。至于其他一些需要方便修理的元器件，如電力電子元件，仍然可以置于機匣外部。賽利克表示，“低壓壓氣機的速度范圍也更適合于為電力系統(tǒng)輸出功率”。

如果在一臺經過適應性改進的Leap發(fā)動機上加上一臺兆瓦級電動機/發(fā)電機和DDB變速箱，以及相應的電池，形成混合電力發(fā)動機，將使得發(fā)動機核心尺寸減小，進而降低油耗，電池技術的進步也將發(fā)揮作用。

DDB齒輪箱

據(jù)德溫特航空預估，與目前A320neo和737MAX采用的Leap發(fā)動機，以及A320neo采用的GTF發(fā)動機PW1100G相比，在1800km航程上，其油耗可以降低4%，而NOx排放則可以降低50%。在發(fā)動機起飛階段，亦可使發(fā)動機油耗降低4%，NOx排放降低50%。雖然增加電池必定會影響發(fā)動機的總質量，但發(fā)動機在起飛狀態(tài)時，電池提供的電力可以減少燃氣渦輪提供的推力，從而降低渦輪進口溫度。賽利克對此表示，“雖然這只在一定程度上降低了油耗，但卻顯著降低了NOx排放?！钡聹靥睾娇帐紫瘓?zhí)行官查爾斯·卡丁頓（Charles Cuddington）表示：“可以在壓氣機中加入一個嵌入式電動機/發(fā)電機，從發(fā)動機中提取大量電力，也可以為發(fā)動機輸入電力，而不必大改渦扇發(fā)動機的控制，這為A320和737裝備混合電推進發(fā)動機提供了可能，同時也帶來了低排放的所有優(yōu)點?！?/p>

美國普惠公司的GTF發(fā)動機結構

應用目標

賽利克在談及開發(fā)DDB結構的初衷時表示，“很多人都說我們正處于電動發(fā)動機革命的前夜，但現(xiàn)實是，電池技術、電機尺寸和熱管理仍存在一些根本性的限制?！钡聹靥睾娇展こ填檰柼乩赘ァに蛊た耍═revor Speak）也表示，“我們把DDB視為今天飛機和發(fā)動機所處技術水平與未來那些采用分布式電驅動風扇的飛機設計概念的過渡產品”，“DDB是一種過渡解決方案，它并沒有真正大改目前飛機和發(fā)動機的結構，它只是改變了發(fā)動機低壓壓氣機周圍的結構。我們認為這種結構將比那些更新穎的架構能更快地應用到工程上”。

DDB齒輪箱和兆瓦級發(fā)電機/電動機的安裝結構

德溫特航空開發(fā)DDB的應用目標是單通道干線客機，因為單通道干線客機機身較小，限制了它使用比目前更高涵道比的渦扇發(fā)動機，而DDB可在不大改發(fā)動機結構的基礎上，實現(xiàn)降低油耗和排放的目的。德溫特航空與英國和德國的大學專家合作，證明了DDB概念的機械和性能可行性，并獲得了多項專利?？ǘ☆D對此表示：“現(xiàn)在，我們正試圖以一種有意義的方式引起一些發(fā)動機制造商的注意，讓他們能留意到這種發(fā)動機結構，以便在不久的將來被采用?！彼忉屨f，“我們只是在商業(yè)領域研究如何讓飛機更好地分配電能，但這給了發(fā)動機全新的設計自由度?！?/p>