發動機競賽下一棒：羅羅發力齒輪技術

胡勤

如果用一個詞概括羅爾斯·羅伊斯（羅羅）公司現役大型航空發動機的特點，那一定是：“三軸”。的確，這個在航空業獨樹一幟的大型發動機結構，奠定了羅羅公司數十年來成功的基礎，羅羅公司對此更是深信不疑。但如果要概括十年后羅羅公司大型航空發動機的特點時，這個詞則是：“齒輪”。

今年年初，羅羅公司公布了未來十年發動機的設計藍圖，對其技術路線和發展規劃做了簡要闡釋，首次明確提出在其大型商用發動機上使用齒輪傳動技術，并計劃采取“兩步走”的戰略完成技術過渡。日前，羅羅全球研究及技術總監理查德·帕克（Ric Parker）在北京接受了《環球飛行》記者的專訪，他詳細介紹了羅羅未來設計藍圖的技術細節，并就行業關注的焦點問題回答了記者的提問。

“三軸”的生命力

羅羅的“三軸”發動機技術始于20世紀60年代，并隨著RB211發動機的巨大成功得以鞏固，在商用發動機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的現役大型航空發動機均采用“雙軸”設計，發動機中的風扇、低壓壓氣機和低壓渦輪通過軸連接組成低壓系統，高壓壓氣機和高壓渦輪通過另一根軸連接組成高壓系統。而“三軸”設計增加了由中壓壓氣機和中壓渦輪組成的中壓系統，發動機風扇直接由低壓渦輪驅動。

在“三軸”系統中，三個互相獨立的轉動軸各成一體，使得壓氣機和渦輪能在更接近于最佳條件下工作，從而提高發動機效率、減少壓氣機與渦輪級數。各軸的轉速還可根據需要相對獨立地調節，擴大了穩定工作范圍。

由于采用“三軸”設計，羅羅發動機上的很多改進項目，都能較容易地應用在各種型號上。這種邊用邊改的方法可以使用戶以最經濟的代價逐步提升其發動機性能。

這種結構布局還使發動機在較低的渦輪進口溫度下能達到較高的推力，因此發動機的熱端部件壽命更長，降低維護費用。此外，發動機單元體設計可以進一步降低維修的難度。

在遄達發動機此前的改進過程中，羅羅往往是通過增加中壓系統的工作負荷來提升發動機能力。而在羅羅“兩步走”戰略的第一階段中，“新型Advance發動機突破常規，減輕了中壓系統的工作負荷，讓高壓系統承擔更大負載，”帕克表示。相比目前最先進的遄達XWB發動機，Advance發動機的高壓系統將采用10級高壓壓氣機和2級高壓渦輪，而非目前的1級高壓渦輪。同時，中壓壓氣機的級數將從現有遄達XWB的8級縮減為4級左右，而中壓渦輪的級數將從2級縮減為1級。

“更重要的是，新配置與未來的UltraFan發動機具有了巨大的相通性，這是一種能夠適應未來需求的結構，”帕克表示。此外，羅羅還計劃在Advance發動機上首次采用重量更輕的復合材料碳/鈦合金風扇葉片、復合材料機匣和輕量化的低壓渦輪系統。

沿用“三軸”設計的Advance發動機預計可以在2020年前后投入使用，其涵道比高達11：1，總壓比超過60：1，燃油效率比第一代遄達發動機至少高20%。

齒輪的“使命”

事實上，羅羅并不是第一個將齒輪傳動技術應用到大型航空發動機的公司。早在2008年，普惠公司在當年的范堡羅航展上宣布為新一代單通道飛機研制齒輪傳動發動機。目前，首款采用齒輪傳動發動機的龐巴迪C系列飛機已于去年完成首飛，正在進行最后的適航驗證沖刺；而普惠齒輪傳動發動機中最重要的機型——空客A320neo已經完成首飛，計劃在明年交付用戶。

相比競爭對手，羅羅為何計劃在10年后才使用齒輪傳動技術？帕克給出了他的解釋：“相比于傳統的兩軸發動機結構，三軸發動機的獨特適應性，使得羅羅發動機在高達11：1的涵道比時依然具有極高的效率，這一點在傳統兩軸發動機上難以實現。”

“即使是采用三軸設計，我們依然沒有到達變速箱的重量和復雜性超越低速、低效組件的重量和復雜性的臨界點。這主要是因為我們的風扇轉子上沒有低壓壓氣機。相反，我們配備了可以自行優化轉速的中壓壓氣機。因而直到今天，對三軸結構來說，齒輪技術并不是必需的。”帕克表示。

在齒輪傳動領域，羅羅的技術積累不可小覷。目前，已經投入使用的美國第5代戰機F-35B的升力風扇，采用了羅羅的齒輪傳動技術。帕克表示：“羅羅擁有先進的大功率齒輪傳動技術，F-35B升力風扇的推力高達29000磅，而且效率極高。”

為了應對更大功率齒輪箱研發的挑戰，羅羅斥資8700萬美元在德國建設了UltraFan發動機齒輪箱測試平臺。帕克表示：“這是一項龐大的計劃，該計劃將采用Advance發動機的核心機，并在其周圍配置新型低壓系統，并通過英國和德國的國家項目來提供部分資金。”

盡管承認UltraFan發動機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的技術細節。“我們清楚地知道基準是什么，只是必須要對其進行驗證。”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。”

通過引入齒輪系統，UltraFan發動機將完全取消現有低壓渦輪，這也意味著羅羅發動機不再是真正的三軸結構，而是“兩軸半”配置。羅羅關于齒輪箱和相關滑油系統的測試將一直進行到2015年年底。

“第一次就做對”

根據羅羅公布的設計藍圖，未來發動機的主要技術亮點包括：采用CTi碳纖維鈦合金風扇葉片、復合材料機匣，陶瓷基復合材料（CMC），齒輪傳動技術和新型貧油燃燒系統等。然而，這些技術在競爭對手的“產品介紹”中同樣存在，而且相當一部分技術將先于羅羅投入市場。

“在羅羅，我們信奉‘第一次就做對的宗旨。新材料的應用可能影響產品可靠性和交付時間，市場此前已經有了先例和教訓。”帕克表示：“我們會慎重選擇運用技術的時機，確保質量和安全，并力求將成本降至最低。”

據帕克介紹，他本人自1992年起就致力于復合材料的研發，“那時候昂貴的成本阻礙了商業應用，從超級合金、鈦鋁合金到碳纖維和陶瓷基復合材料，我們力求實現空氣動力學表現與材料強度之間的平衡，以滿足航空制造業對性能、成本、可靠性及環境表現不斷提高的要求。”

盡管羅羅認為其空心鈦風扇葉片仍然具有競爭力，但隨著風扇直徑的日益增大和材料經濟性不斷提升，“是時候使用復合材料風扇了”，新材料的使用預計會讓每臺發動機的重量減輕750磅。“幾十年來我們一直在監控行業發展，等待技術成熟到足以投入商業化運營時投入使用。”帕克表示。

UltraFan發動機還將采用可變距葉片技術，新型超薄短艙設計等全新技術。由于風扇可以在所有飛行階段改變節距，短艙內將不會設置反推力裝置。UltraFan發動機中壓渦輪的旋轉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合材料（CMC）。

據帕克透露，羅羅正在研究諸如“葉環”和“間冷”等“更具長期性和前瞻性”的技術。整體葉環技術（bling，裝有葉片的環）是現有葉盤技術（blisk，裝有葉片的圓盤）的演變，更輕且更加堅固。間冷技術是指通過冷卻壓氣機中氣流的溫度，減少壓氣機加壓所需的能量，滿足高總壓比要求，進而提高發動機熱效率，并降低氮氧化物排放。作為歐洲“新型航空發動機核心機”（Newac）項目的一部分，羅羅已經對基礎的“間冷”空氣系統進行了測試。