■ 廖忠權(quán)/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(jī)概念，作為當(dāng)前常規(guī)渦扇發(fā)動機(jī)和未來分布式混合電推進(jìn)發(fā)動機(jī)的過渡解決方案。通過采用創(chuàng)新的雙驅(qū)動增壓器（DDB），在不大改動發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使發(fā)動機(jī)比當(dāng)前的Leap發(fā)動機(jī)和PW1100G發(fā)動機(jī)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(fēng)扇（GTF）發(fā)動機(jī)，是由低壓渦輪軸驅(qū)動一個減速齒輪箱，齒輪箱連接風(fēng)扇軸驅(qū)動風(fēng)扇。而2010年成立的德溫特航空提出一種雙驅(qū)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(dāng)前常規(guī)渦扇發(fā)動機(jī)和未來分布式混合電推進(jìn)發(fā)動機(jī)的過渡解決方案。

DDB工作原理

根據(jù)德溫特航空的設(shè)計，DDB齒輪箱被安置在常規(guī)渦扇發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)之間，由發(fā)動機(jī)高壓渦輪軸驅(qū)動行星齒輪箱的太陽輪，低壓渦輪軸驅(qū)動行星輪，行星輪驅(qū)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(qū)動前面的低壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇。據(jù)稱，采用這種結(jié)構(gòu)可使低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速比傳統(tǒng)雙軸發(fā)動機(jī)的低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)以高壓渦輪軸和低壓渦輪軸之間的平均速度運(yùn)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(jī)的起飛和慢速比為3∶1。

DDB結(jié)構(gòu)還可以與電動機(jī)/發(fā)電機(jī)集成。如果需要集成，可將電動機(jī)/發(fā)電機(jī)安裝在DDB齒輪箱前面的壓氣機(jī)軸里，可從發(fā)動機(jī)提取電力或給發(fā)動機(jī)提供電力，從而顯著提高發(fā)動機(jī)的效率。內(nèi)置電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的架構(gòu)將取消發(fā)動機(jī)外部附件齒輪箱。德溫特航空的設(shè)計人員表示，低壓壓氣機(jī)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(jī)匣外部。賽利克表示，“低壓壓氣機(jī)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(jīng)過適應(yīng)性改進(jìn)的Leap發(fā)動機(jī)上加上一臺兆瓦級電動機(jī)/發(fā)電機(jī)和DDB變速箱，以及相應(yīng)的電池，形成混合電力發(fā)動機(jī)，將使得發(fā)動機(jī)核心尺寸減小，進(jìn)而降低油耗，電池技術(shù)的進(jìn)步也將發(fā)揮作用。

DDB齒輪箱

據(jù)德溫特航空預(yù)估，與目前A320neo和737MAX采用的Leap發(fā)動機(jī)，以及A320neo采用的GTF發(fā)動機(jī)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(jī)起飛階段，亦可使發(fā)動機(jī)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(jī)的總質(zhì)量，但發(fā)動機(jī)在起飛狀態(tài)時，電池提供的電力可以減少燃?xì)鉁u輪提供的推力，從而降低渦輪進(jìn)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(jī)中加入一個嵌入式電動機(jī)/發(fā)電機(jī)，從發(fā)動機(jī)中提取大量電力，也可以為發(fā)動機(jī)輸入電力，而不必大改渦扇發(fā)動機(jī)的控制，這為A320和737裝備混合電推進(jìn)發(fā)動機(jī)提供了可能，同時也帶來了低排放的所有優(yōu)點(diǎn)?！?/p>

美國普惠公司的GTF發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用目標(biāo)

賽利克在談及開發(fā)DDB結(jié)構(gòu)的初衷時表示，“很多人都說我們正處于電動發(fā)動機(jī)革命的前夜，但現(xiàn)實(shí)是，電池技術(shù)、電機(jī)尺寸和熱管理仍存在一些根本性的限制。”德溫特航空工程顧問特雷弗·斯皮克（Trevor Speak）也表示，“我們把DDB視為今天飛機(jī)和發(fā)動機(jī)所處技術(shù)水平與未來那些采用分布式電驅(qū)動風(fēng)扇的飛機(jī)設(shè)計概念的過渡產(chǎn)品”，“DDB是一種過渡解決方案，它并沒有真正大改目前飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，它只是改變了發(fā)動機(jī)低壓壓氣機(jī)周圍的結(jié)構(gòu)。我們認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)將比那些更新穎的架構(gòu)能更快地應(yīng)用到工程上”。

DDB齒輪箱和兆瓦級發(fā)電機(jī)/電動機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)

德溫特航空開發(fā)DDB的應(yīng)用目標(biāo)是單通道干線客機(jī)，因?yàn)閱瓮ǖ栏删€客機(jī)機(jī)身較小，限制了它使用比目前更高涵道比的渦扇發(fā)動機(jī)，而DDB可在不大改發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)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(xué)專家合作，證明了DDB概念的機(jī)械和性能可行性，并獲得了多項(xiàng)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(jī)制造商的注意，讓他們能留意到這種發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，以便在不久的將來被采用。”他解釋說，“我們只是在商業(yè)領(lǐng)域研究如何讓飛機(jī)更好地分配電能，但這給了發(fā)動機(jī)全新的設(shè)計自由度。”