子寧

現(xiàn)代民航客機的動力普遍為大推力（大于70千牛）渦輪風扇發(fā)動機，與渦噴發(fā)動機相比，其具有推力大、油耗低、噪音小等特點，此類發(fā)動機的主要動力來源由低壓渦輪直接驅(qū)動的風扇提供。低壓渦輪不僅驅(qū)動風扇，還驅(qū)動同在一根軸上的低壓壓氣機轉(zhuǎn)子。這種設(shè)計雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是卻具有一個先天性問題——風扇與低壓壓氣機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)動機的工作原理說起。早期的渦輪噴氣發(fā)動機沒有風扇結(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)動機直徑較小，導致空氣流量小，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。因此渦輪風扇發(fā)動機應(yīng)運而生。

與渦噴相比，渦扇發(fā)動機在低壓壓氣機前增加了一級直徑較大的風扇轉(zhuǎn)子，這樣，發(fā)動機的主要動力來源不再是渦輪后的射流，而是靠風扇“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扇輪盤的強度。為滿足這些限制，風扇葉尖切線速度一般都不會超過400～450米/秒，因此如果增加風扇直徑（保證空氣流量），必須降低轉(zhuǎn)速。但是，與風扇共軸的低壓壓氣機卻需要較高的轉(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)動機應(yīng)運而生。與雙轉(zhuǎn)子相比，三轉(zhuǎn)子明顯的優(yōu)點是：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)動機的缺點也十分突出——結(jié)構(gòu)異常復雜，支承、傳力、潤滑十分困難，低壓渦輪級數(shù)多，維護性差。因此目前世界上只有英國羅羅公司的RB211，遄達系列，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)動機采用三轉(zhuǎn)子設(shè)計。

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)動機的首架空客A320neo客機。A320neo的成功交付也標志著21世紀綠色航空的一個全新起點。

為了使風扇和低壓壓氣機達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)動機應(yīng)運而生，而由普惠公司生產(chǎn)的靜潔動力?其PW1100G-JM型發(fā)動機齒輪傳動式渦扇TM發(fā)動機（GTF）歷經(jīng)數(shù)年研發(fā)試驗，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。

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

PW1000G發(fā)動機在風扇轉(zhuǎn)子與低壓壓氣機之間安裝了一臺齒輪減速器，因風扇轉(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)動機有了巨大改變，它比傳統(tǒng)發(fā)動機在葉片輪盤結(jié)構(gòu)上少了至少6個級數(shù)，單是低壓渦輪級一項，就比其他同類發(fā)動機減少了約2 000片葉片，極大降低了各項成本。

齒輪減速器的應(yīng)用使風扇轉(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)動機可將飛機噪音減少75%。風扇轉(zhuǎn)速的下釋放了低壓壓氣機的轉(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為“燃油消耗率降低15%”，而運營方漢莎航空在2月12日表示，“降低15%的油耗不僅已經(jīng)實現(xiàn)，還有所超越?！币溃豢钊碌陌l(fā)動機要達到設(shè)計油耗指標，往往需要一定的磨合時間，而PW1100G-JM在初裝之際就超越標準，無不體現(xiàn)其優(yōu)秀的性能。

當然，齒輪傳動式渦扇發(fā)動機并非普惠一家，阿斯泰方、ALF502、TFE731以及LF500系列發(fā)動機均采用了齒輪減速器，由于當時的技術(shù)限制，這些早期的、在渦軸發(fā)動機基礎(chǔ)上改型而成的小型齒輪傳動渦扇發(fā)動機，減速器不僅體積與質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復雜，在高轉(zhuǎn)速、高負荷的情況下，齒輪、支承齒輪的軸承運轉(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)動機中應(yīng)用齒輪減速器。因為這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新型發(fā)動機的發(fā)展計劃——齒輪傳動風扇的大涵道比渦扇發(fā)動機PW8000，這是大推力發(fā)動機中第一種采用齒輪傳動的大涵道比發(fā)動機，由單級風扇，3級低壓、5級高壓壓氣機，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。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，由于當時并沒有飛機選用該發(fā)動機，這臺涵道比高達11、推力為116～162千牛的PW8000研發(fā)工作宣布終止。

PW8000項目雖然終止，但齒輪系統(tǒng)的概念卻在PW308核心機上得到了發(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扇的大涵道比發(fā)渦扇發(fā)動機研發(fā)工作，并于2008年將此發(fā)動機命名為“靜潔動力”PW1000G。

目前，除已裝機漢莎航空A320neo的PW1100G-JM發(fā)動機外，其他推力級別，或適用其他機型的GTF發(fā)動機也在穩(wěn)步向前，2015年11月11日，普惠PW1200G發(fā)動機就為日本支線客機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。中國方面，四川航空選擇了24架以PW1100G-JM發(fā)動機為動力的A320neo，成為首家直接訂購靜潔動力發(fā)動機的中國航空公司。這批飛機預計于2017年開始交付。

責任編輯：陳肖