未來民機(jī)動(dòng)力的發(fā)展方向

齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇（GTF， Geared Turbofan）發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榫哂械团欧?、低噪聲、低油耗和低維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)被市場(chǎng)認(rèn)可，成為下一代民用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展方向之一。

降低耗油率和減少污染排放是下一代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主攻發(fā)展方向和“賣點(diǎn)”。降低耗油率的主要方法有：提高整機(jī)熱效率（增加壓氣機(jī)的出口壓力、增加渦輪前溫度）、提高發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率（降低排氣速度、增大空氣流量）。增加航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件（壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪）的效率需要設(shè)計(jì)水平、加工水平和材料能力的全面提升。限于當(dāng)前的材料和冷卻技術(shù)的水平，現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的溫度已接近安全使用的極限值，很難進(jìn)一步提高。因此，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率（降低排氣速度、增大空氣流量）成為主要的發(fā)展方向，其中GTF發(fā)動(dòng)機(jī)和開式轉(zhuǎn)子（OpenRotor）發(fā)動(dòng)機(jī)是主要代表。

我國對(duì)GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)的研究尚屬預(yù)研階段。為了探索GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，在第二批中航工業(yè)派往英國克蘭菲爾德大學(xué)留學(xué)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目中開展了GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)的概念設(shè)計(jì)工作?，F(xiàn)役的民用大推力、高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇均由渦輪直接驅(qū)動(dòng)，由于強(qiáng)度和葉尖切線速度的限制，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速一般都在4000 ～ 5500r/min，涵道比一般不能大于8，較低的轉(zhuǎn)速使得渦輪效率較低，必須采用4 ～ 5 級(jí)的低壓渦輪來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和增壓級(jí)，齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是在風(fēng)扇后增加一個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，風(fēng)扇不再由低壓渦輪軸直接驅(qū)動(dòng)，這樣風(fēng)扇和低壓渦輪不需在同一個(gè)轉(zhuǎn)速下工作，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在3000～4000r/min，而增壓級(jí)壓氣機(jī)和低壓渦輪系統(tǒng)可以工作在8000 ～ 10000r/min 的轉(zhuǎn)速下，這種設(shè)計(jì)可以使風(fēng)扇、增壓級(jí)壓氣機(jī)和低壓渦輪都具有更高的效率，采用較少級(jí)數(shù)的增壓級(jí)（2 ～3 級(jí)）和低壓渦輪（2～3級(jí)）就可以滿足功率的要求。同時(shí)，GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的涵道比，從而能夠獲得更高的推進(jìn)效率和更低的耗油率，也會(huì)減少噪聲。

GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)并不是一個(gè)新的概念。霍尼韋爾公司在1970 年就將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在了TFE731 發(fā)動(dòng)機(jī)上。2007 年，普惠公司開始對(duì)其GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面試驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)的推力為136千牛。普惠公司認(rèn)為：GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)將成為下一代商用飛機(jī)的動(dòng)力，相對(duì)于現(xiàn)役的民用發(fā)動(dòng)機(jī)，可降低15%的燃油消耗率。

近年來，中航工業(yè)的研究機(jī)構(gòu)也對(duì)GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)的齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)工作，齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)與直接驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上的主要差別。傳動(dòng)功率大小決定了齒輪尺寸。雖然齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（減速器）已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于渦槳、渦軸和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但作為下一代單通道民航客機(jī)的動(dòng)力，齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（減速器）傳遞的功率遠(yuǎn)高于目前正在使用的減速器。風(fēng)扇齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)輸入、齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形式的選擇、齒輪的設(shè)計(jì)（包括齒形選擇、齒輪載荷、齒輪強(qiáng)度校核等）、軸承的選擇和設(shè)計(jì)、潤滑系統(tǒng)等。

風(fēng)扇齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的另一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)是行星傳動(dòng)中行星齒輪工作的均載和柔性設(shè)計(jì)，只有柔性設(shè)計(jì)才能夠保證齒輪在工作中的均載。同時(shí)，齒輪設(shè)計(jì)、滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)以及高性能空氣- 滑油散熱器設(shè)計(jì)都是齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)風(fēng)扇齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須進(jìn)行全面的試驗(yàn)驗(yàn)證。這些系統(tǒng)的、全面的試驗(yàn)項(xiàng)目包括齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)器試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)的地面驗(yàn)證試驗(yàn)以及飛行試驗(yàn)。

另外，為了全面考核和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還必須進(jìn)行一些專項(xiàng)的試驗(yàn)，比如效率試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、性能（載荷和變形）試驗(yàn)、過載和超轉(zhuǎn)試驗(yàn)、斷油試驗(yàn)等。