胡勤

如果用一個(gè)詞概括羅爾斯·羅伊斯（羅羅）公司現(xiàn)役大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，那一定是：“三軸”。的確，這個(gè)在航空業(yè)獨(dú)樹一幟的大型發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)的特點(diǎn)時(shí)，這個(gè)詞則是：“齒輪”。

今年年初，羅羅公司公布了未來十年發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)藍(lán)圖，對(duì)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(dòng)機(jī)上使用齒輪傳動(dòng)技術(shù)，并計(jì)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(xì)介紹了羅羅未來設(shè)計(jì)藍(lán)圖的技術(shù)細(xì)節(jié)，并就行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)問題回答了記者的提問。

“三軸”的生命力

羅羅的“三軸”發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，并隨著RB211發(fā)動(dòng)機(jī)的巨大成功得以鞏固，在商用發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)均采用“雙軸”設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)中的風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪通過軸連接組成低壓系統(tǒng)，高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪通過另一根軸連接組成高壓系統(tǒng)。而“三軸”設(shè)計(jì)增加了由中壓壓氣機(jī)和中壓渦輪組成的中壓系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇直接由低壓渦輪驅(qū)動(dòng)。

在“三軸”系統(tǒng)中，三個(gè)互相獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)軸各成一體，使得壓氣機(jī)和渦輪能在更接近于最佳條件下工作，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、減少壓氣機(jī)與渦輪級(jí)數(shù)。各軸的轉(zhuǎn)速還可根據(jù)需要相對(duì)獨(dú)立地調(diào)節(jié)，擴(kuò)大了穩(wěn)定工作范圍。

由于采用“三軸”設(shè)計(jì)，羅羅發(fā)動(dòng)機(jī)上的很多改進(jìn)項(xiàng)目，都能較容易地應(yīng)用在各種型號(hào)上。這種邊用邊改的方法可以使用戶以最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)逐步提升其發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

這種結(jié)構(gòu)布局還使發(fā)動(dòng)機(jī)在較低的渦輪進(jìn)口溫度下能達(dá)到較高的推力，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件壽命更長，降低維護(hù)費(fèi)用。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)單元體設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步降低維修的難度。

在遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)此前的改進(jìn)過程中，羅羅往往是通過增加中壓系統(tǒng)的工作負(fù)荷來提升發(fā)動(dòng)機(jī)能力。而在羅羅“兩步走”戰(zhàn)略的第一階段中，“新型Advance發(fā)動(dòng)機(jī)突破常規(guī)，減輕了中壓系統(tǒng)的工作負(fù)荷，讓高壓系統(tǒng)承擔(dān)更大負(fù)載，”帕克表示。相比目前最先進(jìn)的遄達(dá)XWB發(fā)動(dòng)機(jī)，Advance發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓系統(tǒng)將采用10級(jí)高壓壓氣機(jī)和2級(jí)高壓渦輪，而非目前的1級(jí)高壓渦輪。同時(shí)，中壓壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)將從現(xiàn)有遄達(dá)XWB的8級(jí)縮減為4級(jí)左右，而中壓渦輪的級(jí)數(shù)將從2級(jí)縮減為1級(jí)。

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

沿用“三軸”設(shè)計(jì)的Advance發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)可以在2020年前后投入使用，其涵道比高達(dá)11：1，總壓比超過60：1，燃油效率比第一代遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)至少高20%。

齒輪的“使命”

事實(shí)上，羅羅并不是第一個(gè)將齒輪傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的公司。早在2008年，普惠公司在當(dāng)年的范堡羅航展上宣布為新一代單通道飛機(jī)研制齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，首款采用齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的龐巴迪C系列飛機(jī)已于去年完成首飛，正在進(jìn)行最后的適航驗(yàn)證沖刺；而普惠齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的機(jī)型——空客A320neo已經(jīng)完成首飛，計(jì)劃在明年交付用戶。

相比競爭對(duì)手，羅羅為何計(jì)劃在10年后才使用齒輪傳動(dòng)技術(shù)？帕克給出了他的解釋：“相比于傳統(tǒng)的兩軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，三軸發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)特適應(yīng)性，使得羅羅發(fā)動(dòng)機(jī)在高達(dá)11：1的涵道比時(shí)依然具有極高的效率，這一點(diǎn)在傳統(tǒng)兩軸發(fā)動(dòng)機(jī)上難以實(shí)現(xiàn)?！?/p>

“即使是采用三軸設(shè)計(jì)，我們依然沒有到達(dá)變速箱的重量和復(fù)雜性超越低速、低效組件的重量和復(fù)雜性的臨界點(diǎn)。這主要是因?yàn)槲覀兊娘L(fēng)扇轉(zhuǎn)子上沒有低壓壓氣機(jī)。相反，我們配備了可以自行優(yōu)化轉(zhuǎn)速的中壓壓氣機(jī)。因而直到今天，對(duì)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(dòng)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(jī)F-35B的升力風(fēng)扇，采用了羅羅的齒輪傳動(dòng)技術(shù)。帕克表示：“羅羅擁有先進(jìn)的大功率齒輪傳動(dòng)技術(shù)，F(xiàn)-35B升力風(fēng)扇的推力高達(dá)29000磅，而且效率極高?！?/p>

為了應(yīng)對(duì)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(shè)了UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱測試平臺(tái)。帕克表示：“這是一項(xiàng)龐大的計(jì)劃，該計(jì)劃將采用Advance發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)，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(xiàng)目來提供部分資金。”

盡管承認(rèn)UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)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(xì)節(jié)?！拔覀兦宄刂阑鶞?zhǔn)是什么，只是必須要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。”帕克表示：“齒輪比大致為3：1，也許更高一些，還沒有最終確定?！?/p>

通過引入齒輪系統(tǒng)，UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)將完全取消現(xiàn)有低壓渦輪，這也意味著羅羅發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行到2015年年底。

“第一次就做對(duì)”

根據(jù)羅羅公布的設(shè)計(jì)藍(lán)圖，未來發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)亮點(diǎn)包括：采用CTi碳纖維鈦合金風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料機(jī)匣，陶瓷基復(fù)合材料（CMC），齒輪傳動(dòng)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(duì)手的“產(chǎn)品介紹”中同樣存在，而且相當(dāng)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(duì)的宗旨。新材料的應(yīng)用可能影響產(chǎn)品可靠性和交付時(shí)間，市場此前已經(jīng)有了先例和教訓(xùn)?！迸量吮硎荆骸拔覀儠?huì)慎重選擇運(yùn)用技術(shù)的時(shí)機(jī)，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(fù)合材料的研發(fā)，“那時(shí)候昂貴的成本阻礙了商業(yè)應(yīng)用，從超級(jí)合金、鈦鋁合金到碳纖維和陶瓷基復(fù)合材料，我們力求實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)與材料強(qiáng)度之間的平衡，以滿足航空制造業(yè)對(duì)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(rèn)為其空心鈦風(fēng)扇葉片仍然具有競爭力，但隨著風(fēng)扇直徑的日益增大和材料經(jīng)濟(jì)性不斷提升，“是時(shí)候使用復(fù)合材料風(fēng)扇了”，新材料的使用預(yù)計(jì)會(huì)讓每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)營時(shí)投入使用?！迸量吮硎?。

UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)還將采用可變距葉片技術(shù)，新型超薄短艙設(shè)計(jì)等全新技術(shù)。由于風(fēng)扇可以在所有飛行階段改變節(jié)距，短艙內(nèi)將不會(huì)設(shè)置反推力裝置。UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)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(jiān)固。間冷技術(shù)是指通過冷卻壓氣機(jī)中氣流的溫度，減少壓氣機(jī)加壓所需的能量，滿足高總壓比要求，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，并降低氮氧化物排放。作為歐洲“新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)”（Newac）項(xiàng)目的一部分，羅羅已經(jīng)對(duì)基礎(chǔ)的“間冷”空氣系統(tǒng)進(jìn)行了測試。