齊曉雪　唐宇峰　魏寶鋒

摘要：本文研究了國外發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，并對目前較為先進的齒輪傳動風扇發(fā)動機和雙驅(qū)動增壓級渦扇發(fā)動機的原理、技術(shù)特點和發(fā)展情況進行了探索，為國內(nèi)發(fā)動機的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：大涵道比渦扇發(fā)動機，齒輪傳動風扇，雙驅(qū)動增壓級

引言

大涵道比渦扇發(fā)動機是民用飛機普遍采用的動力形式，國外通過多年的發(fā)展，已經(jīng)達到了相當?shù)母叨?。為了提升發(fā)動機的性能、環(huán)保性和經(jīng)濟性，國外航空公司開展了新型結(jié)構(gòu)形式的大涵道比渦扇發(fā)動機技術(shù)研究，并取得了一定的進展。

1 ?國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

大涵道比渦扇發(fā)動機具有推力大、耗油率低、可靠性高、壽命長，從20世紀70年代開始，正式配裝飛機，并成為主要動力，廣泛用于民用飛機。經(jīng)過多年的發(fā)展，涵道比已從4提高到了11，總增壓比從25提高到接近60，渦輪進口溫度從1500K提高到1900K以上。最大推力已超過500kN，巡航耗油率下降到0.55kg/（daN.h）以下。

目前在民機市場的大涵道比渦扇發(fā)動機主要有三種構(gòu)型，分別為常規(guī)構(gòu)型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機、齒輪傳動風扇發(fā)動機（GTF發(fā)動機）和三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機。

常規(guī)構(gòu)型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu)相對簡單，受到風扇尺寸和葉尖切線速度限制了低壓軸的轉(zhuǎn)速，使得增壓級、低壓渦輪的氣動設(shè)計成為其難點，GE公司憑借自身卓越的氣動設(shè)計技術(shù)水平，以及核心機的設(shè)計經(jīng)驗優(yōu)勢，GE90、LEAP-X等常規(guī)形式發(fā)動機研制處于世界領(lǐng)先地位。

目前常規(guī)渦扇發(fā)動機技術(shù)水平國外已發(fā)展到相當?shù)母叨龋l(fā)展的空間已經(jīng)越來越小。齒輪傳動風扇發(fā)動機等新構(gòu)型發(fā)動機由于能有效降低噪聲和耗油率，將成為后續(xù)的發(fā)展方向。

2 ?GTF發(fā)動機技術(shù)特點和研制進展

GTF發(fā)動機通過在風扇和低壓壓氣機之間引入減速齒輪箱，使風扇和低壓轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速進行工作，提高各部件設(shè)計水平、提高涵道比、提高推進效率，具有部件級數(shù)少、噪聲低和耗油率低的特點。

由于GTF發(fā)動機與常規(guī)大涵道比相比具有顯著優(yōu)勢，國外許多航空發(fā)動機公司從上世紀70年代就開始了GTF發(fā)動機和減速器的研制，其中最為成功的是PW公司。

PW公司投入100多億美元進行GTF發(fā)動機的研發(fā)，2008年7月正式推出PW1000G系列GTF發(fā)動機。PW1000G^[1]系列發(fā)動機由1級風扇、齒輪箱、2級或3級增壓級、8級高壓壓氣機、環(huán)形燃燒室、2級高壓渦輪、3級低壓渦輪等組成。PW1000G系列發(fā)動機起飛推力范圍為6804～15876公斤，目前已經(jīng)投入運營。

該發(fā)動機采用了大量的先進技術(shù)，主要包括：高壓壓氣機采用先進的氣動設(shè)計，新型的整體葉盤，減輕重量的同時提高氣動穩(wěn)定裕度和工作效率。高壓渦輪葉片采用高升力設(shè)計，葉尖吹氣的封嚴結(jié)構(gòu)，提高了渦輪效率;同時采用新一代單晶材料和熱障涂層，顯著增加發(fā)動機的壽命。低壓渦輪采用高升力葉片設(shè)計，同時高轉(zhuǎn)速有效地提高效率，減輕重量。采用最新的TALON X燃燒室，減少氮氧化合物的排放^[2][3]。

RR公司也提出計劃采用超扇發(fā)動機（GTF發(fā)動機，UltraFan）作為其后續(xù)發(fā)展的一部分，以滿足未來更高推進效率和熱效率的需求。UltraFan發(fā)動機目標推力為44500kgf，涵道比為15。2016年10月，RR公司在姿態(tài)實驗臺上首次測試了全球最大功率的齒輪箱，2017年進行高功率試驗。

3 ?雙驅(qū)動增壓級渦扇發(fā)動機技術(shù)特點及進展

綜合考慮常規(guī)雙轉(zhuǎn)子對核心機的高性能需求，以及GTF發(fā)動機減速齒輪箱的設(shè)計難度，英國德穩(wěn)航空技術(shù)咨詢公司提出了新型發(fā)動機結(jié)構(gòu)——雙驅(qū)動增壓級（DDB）渦扇發(fā)動機方案。

該發(fā)動機將一個行星齒輪系統(tǒng)置于增壓級和高壓壓氣機中間，通過齒輪系統(tǒng)同時從高、低壓軸提取功率驅(qū)動增壓級，使得增壓級轉(zhuǎn)速在兩個軸轉(zhuǎn)速之間。在這種結(jié)構(gòu)中，高、低壓轉(zhuǎn)子的同向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動都可以考慮，但不同情況齒輪系統(tǒng)的排列不同。以雙軸反向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)為例，太陽輪由高壓軸驅(qū)動，行星輪由低壓軸驅(qū)動，增壓級由內(nèi)環(huán)齒輪驅(qū)動。

2015年，與亞琛大學(xué)合作開展DDB發(fā)動機性能研究工作;2015年9月，在英國申請并獲得專利;2017年3月，在中國申請并獲得專利。

4 ?結(jié)束語

目前常規(guī)渦扇發(fā)動機技術(shù)水平國外已發(fā)展到相當?shù)母叨?，新?gòu)型的航空發(fā)動機將是后續(xù)的發(fā)展方向。齒輪傳動風扇發(fā)動機和雙驅(qū)動增壓級發(fā)動機，通過采用減速齒輪箱，提升了發(fā)動機的涵道比和總增壓比，獲得了更好的性能，可為國內(nèi)發(fā)動機的研發(fā)提供參考。

參考文獻

[1]梁春華. 歐盟大涵道比渦扇發(fā)動機技術(shù)研究計劃[J] 航空發(fā)動機，2007，33（2）：57-58.

[2]李廣義.國外大盟軍用運輸機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].航空制造技術(shù)，2005（9）：36-43.

[3]李杰. 清潔動力PW1000G發(fā)動機發(fā)展歷程與技術(shù)特點分析[J] 航空科學(xué)技術(shù)，2009，5：3-6.

[4]Kloos Vadim，Speak T H，Sellick R J. Dual Drive Booster for a two-spool Turbofan：High Shaft Power Offtake Capability for MEA and Hybrid Aircraft Concepts [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2018：1-22.

[5]Speak T H，Sellick R J，Kloos V. etc. Booster for a Two-Spool Turbofan：Performance Effects andMechanical Feasibility [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2016，138：1-9.