羅·羅公司民用航空發動機技術傳承與創新

毛茂華，黃春峰

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽621010)

1 引言

羅·羅公司是世界上最優秀的發動機制造商之一，在民用航空、軍用航空、船舶和能源四大動力市場居于國際領先地位。為提供更可靠、更安全、更經濟、更環保的動力裝置，羅·羅公司致力于先進渦輪風扇發動機新產品的研發與新技術的應用，在航空發動機研制中始終踐行技術的傳承性。其中具有代表性的是RB211系列發動機，它是世界上最早的三轉子渦扇發動機，為Trent系列發動機的成功奠定了基礎，經過45年的發展已無可爭辯地成為當代大型民用航空發動機中最成功的發動機系列之一[1-2]。Trent系列發動機更是暢銷世界，正在推出的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000發動機，將分別成為 B787、A350-1000、A330neo飛機的強勁動力。同時，為未雨綢繆，應對國際民用飛機動力強大的競爭壓力，羅·羅公司不僅注重發動機成熟技術的傳承與吸收，更是投入巨資積極探索研究發展先進航空動力新技術，始終堅持技術開發為先，如Ad?vance、UltraFan發動機項目，推進先進材料、新思想和新技術的研發與應用研究。

本文旨在通過介紹體現羅·羅公司技術傳承性的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000發動機，以及體現技術創新性的Advance、UltraFan發動機項目，來理解羅·羅公司在發動機研發中的傳承與創新思路，并從中學習、借鑒其成功的研發經驗。

2 技術傳承型發動機

Trent系列發動機延續了RB211系列發動機的三轉子設計理念，是羅·羅公司迄今發展的性能最好的大涵道比民用渦扇發動機。下面主要介紹其中的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和 Trent 7000發動機。

2.1 Trent 1000TEN發動機

Trent 1000TEN發動機是Trent 1000系列中推出的最新型號，是B787夢幻客機的備選動力裝置(圖1)。其中的TEN分別代表推力、效率和新技術。它繼承了羅·羅公司其他在役發動機上的成熟技術，如復合材料風扇葉片、分區分級低排放燃燒室、浮動壁火焰筒、高效冷卻技術等。同時，還應用了羅·羅公司在Trent XWB和Advance發動機項目中驗證成功的最新技術，如中壓渦輪和高壓渦輪上的新型高溫材料和熱障涂層，以及先進的“精益生產”管理方法。與Trent 1000Package C相比，Trent 1000TEN的耗油率降低了2%。

截止2016年，Trent 1000TEN發動機共計完成了150 h的高溫、高速運行，進行了高原、結冰、橫風、噪聲和循環測試，充分展示了其可靠性、耐久性、操作性和功能性，并完成了型號試驗認證。2016年3月，Trent 1000TEN在B747飛行試驗臺上進行了首飛測試，標志著該發動機開發項目進入了新的階段。2016年12月，搭載Trent 1000TEN的B787-10客機首次試飛成功，意味著Trent 1000TEN將成為包括B787-8、-9和-10夢幻全系機型的啟動發動機。

Trent 1000TEN的推出對于羅·羅公司非常重要，一方面保持了其民用航空發動機傳統技術優勢，另一方面增強了與其競爭對手GE公司抗衡的優勢。與標準型Trent 1000發動機相比，Trent 1000TEN推力增加了26.7 kN。同時，由于部分零件采用碳復合材料，其質量更輕、耗油率更低。

2.2 Trent XWB-97發動機

Trent XWB系列發動機不僅是當今世界上最高效的大型航空發動機，也是迄今為止銷售最快的寬體客機發動機，已售出1 600多臺，累計飛行時間達到106h。Trent XWB-97是Trent XWB發動機系列的最新型號，將作為A350-1000的唯一動力裝置。它以Trent XWB-84為基礎，同時采用了創新先進技術，包括新的高溫渦輪技術、先進的風扇空氣動力學技術等。特別是采用的Trent系列發動機第5階段燃燒室設計技術，更是顯示出了極強的技術延續性，火焰筒采用可拆換瓦片的浮壁式結構，采用氣動霧化噴嘴和軸向分區燃燒，燃油燃燒充分，增加了安全性，提高了經濟性。由于采用這些先進的技術，以及尺寸更大的核心機，使得Trent XWB-97發動機推力高達430 kN，增加了空客A350-1000的有效載荷范圍和最大起飛質量，更具市場競爭力[3]。同時，Trent XWB-97發動機成功采用ALM新技術(3D打印技術)提高了制造效率。2015年，羅·羅公司通過與國家増材制造中心合作，利用3D打印技術打印出了有史以來最大的民用航空發動機組件——直徑1.5 m的Trent XWB-97發動機前軸承座(圖2)，且經受住了性能測試。

2016年11月，由兩臺Trent XWB-97驅動的首架空客A350-1000成功完成了首飛。2017年8月，Trent XWB-97發動機獲得了歐洲航空安全局(EA?SA)認證。目前，羅·羅公司已制造了20臺Trent XWB-97發動機，用于試車臺測試、開發測試和飛行驗證。

2.3 Trent 7000發動機

Trent 7000發動機(圖3)是羅·羅公司為A330neo飛機研發的一款專屬發動機，是Trent發動機系列的第7個成員。其研發過程中充分借鑒了Trent 700的可靠性、Trent 1000的結構和Trent XWB的技術，采用全三維掠形寬弦風扇與小型高增壓比核心機，額定推力303～320 kN。與現役Trent 700發動機相比，其涵道比從5提高到10，總增壓比從36提高到50，耗油率降低10%，噪聲降低10 dB，每架飛機壽命周期內能為運營商創造6 000萬美元的價值[4]。

Trent 7000發動機的風扇直徑從Trent 700的2.47 m增加到2.84 m，低壓渦輪級數從4級增加到6級。盡管風扇直徑增大增加了發動機直徑與質量，但由于耗油率明顯改善，且在與空客公司的氣動改進措施融合后，可使A330neo飛機每座油耗降低14%。這得益于發動機的中壓徑向驅動軸系統。由于不與高壓轉子直接機械連接，因此快速減小供油并不會降低核心機的轉速，可以使發動機在飛行和地面滑行階段采用更低的慢車推力。除此之外，Trent 7000發動機也強調成熟技術的傳承，依賴傳統方法加入了引氣設計。同時，高壓渦輪葉片應用新型熱障涂層，延長了其使用壽命；整體葉盤的使用降低了壓氣機質量；連續可調的主動渦輪間隙控制，可在不同飛行階段提供最佳冷卻空氣量；使用新一代FADEC及發動機健康監測系統。2015年11月，Trent 7000技術驗證樣機在英國達比發動機試車臺上完成首次動力運轉試驗(圖4)。2017年10月，Trent 7000發動機驅動的A330neo飛機首飛成功[5]。

3 技術創新型發動機

羅·羅公司根據在Trent系列發動機研發上獲得的經驗和驗證技術，著眼于未來的飛機市場，開展了Advance和UltraFan兩款發動機研發工作。Advance發動機將比第一代Trent發動機在燃油消耗和二氧化碳排放方面減少20%以上，并可在2020年前進入市場服役。UltraFan發動機將采用一種具有變距風扇的齒輪傳動設計，可實現比Trent 700減少25%以上的油耗及排放，預計2025年開始服役。

3.1 Advance發動機

Advance發動機源于羅·羅公司2012年推出的預研項目，旨在長期、持續推進大涵道比渦扇發動機技術的研究與發展。該型發動機強調技術創新，其核心機將采用新的高壓和中壓壓氣機、貧油燃燒室、陶瓷基復合材料(CMC)封嚴段以及先進冷卻渦輪葉片。該核心機在載荷分配上有很大變化，高壓壓氣機由兩級高壓渦輪驅動以承擔更大的工作負載，而單級中壓壓氣機負載較輕，使得Advance發動機可以更經濟的方式得到所需增壓比。Advance發動機涵道比將超過11，總增壓比將超過60，耗油率至少比當前的Trent 700發動機改善20%，推力將高達222.5 kN。

Advance發動機目前已推出Advance 3驗證機核心機[6](圖5)。2017年6月，首臺Advance 3核心機和風扇機匣已經在羅·羅英國布里斯托爾工廠完成組裝，整機已于7月運往德比進行包括噪聲、熱測量、X射線檢測等多項測試。計劃2017年12月進行首次試車運行。測試時使用一臺混裝發動機，即在Advance 3核心機的基礎上，前端裝配Trent XWB-84發動機風扇，后端裝配Trent 1000發動機低壓渦輪，測試將持續到2018年初。該核心機將是羅·羅公司未來大型民用發動機的技術基礎。

3.2 UltraFan發動機[7]

波音公司提出了中間級市場客機概念，這種介于窄體機和寬體機之間的新型客機，需裝備推力為178～223 kN的發動機，擬在2025年前后取代B757和B767。羅·羅公司為在中間級市場客機中占領先機，全面推進了UltraFan發動機項目。UltraFan發動機的創新技術是在充分繼承的基礎上發展的，借鑒了Advance發動機的先進成果，通過增加齒輪系統形成新型發動機。驅動風扇的齒輪系統將為未來大推力、大涵道比發動機提供高效動力，能夠使Ultra?Fan發動機涵道比達到15，壓比超過70，而油耗比Trent 700至少降低25%，同時實現可靠性提高，耗油率、使用與維修成本、噪聲均降低的技術目標。這種動力齒輪箱位于風扇軸和低壓壓氣機軸之間，是一種先進的星形齒輪結構(圖6)。使用5個行星齒輪，傳動比為4：1，可讓渦扇發動機的風扇和低壓壓氣機分別運轉在各自最優轉速下；低壓轉子在效率較高的轉速下工作，以匹配高壓轉子的最佳轉速；同時，風扇在氣動損失和噪聲都較小的較低轉速下工作，從而增大發動機涵道比。UltraFan發動機動力齒輪箱的設計輸出功率將達73 550 kW，標志著世界上最大的齒輪傳動渦扇發動機即將面世。除此之外，還在姿態試驗臺上對模擬起飛、爬升、傾斜及降落等不同飛行階段該動力齒輪箱的在翼表現進行了測試。現階段測試重點轉為測試耐久性和可靠性等低功率性能。

采用齒輪系統驅動的變距風扇具有較大優勢：可取消低壓渦輪，由傳統的三轉子變成2.5轉子；可增大涵道比，使飛機的航程延長50%，或耗油率降低30%；可實現傳統渦扇發動機的反推力功能，取消反推力裝置，后短艙質量大幅度減輕；可控制非設計轉速下的失速和顫振。UltraFan發動機的變距風扇包括22片三維新型葉片，能夠實現主動間隙控制，是體積和涵道比更大的新一代風扇。它采用與Ad?vance發動機相同的CTi風扇葉片(圖7)和復合材料機匣。目前，CTi風扇已經達到技術成熟度TRL5，有望進一步提高到技術成熟度TRL6[8]。

目前，UltraFan發動機的核心技術有了重大突破。其中壓壓氣機將從目前Trent XWB發動機的8級減少到4級；中壓渦輪將從2級減少到1級，葉片長度增加；高壓壓氣機與Advance發動機的相同，與Trent系列發動機的相比增壓比更高，級數將達到10級(Trent XWB發動機的高壓壓氣機只有6級)，并由1級高壓渦輪驅動改為2級驅動；先進的貧油燃燒低排放燃燒系統已于2015年在B747-200飛行試驗臺上完成了飛行試驗，和在Trent 1000全尺寸發動機上進行了地面試驗。為減輕質量，轉子將采用鈦鋁合金，而靜子將采用陶瓷基復合材料。

4 結束語

羅·羅公司在民用航空發動機領域所取得的巨大成就，不僅依賴于堅實的工業基礎、優秀的研發團隊、科學的管理、規范的研發流程，更重要的是豐富的設計經驗的傳承與創新，將已有產品的成熟技術不斷轉移應用到新開發的產品中，并在轉移應用中進行創新與發展。Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000是羅·羅公司保持傳統優勢的發動機，這些改型都是在原有成熟發動機技術優勢基礎上的繼承與發展，是推動該公司產品不斷走向成功的典型范例。Advance和UltraFan發動機則屬于創新型產品，著眼于未來的飛機市場，其集中體現了羅·羅公司的創新設計理念，突破傳統，采用革新技術，以使產品能夠占領未來的市場。正是基于這種傳承與創新相結合的思路，使得羅·羅公司的產品研發工作能夠持續推進，新產品研發碩果累累。其研制思路可為中國航空發動機的研制提供參考借鑒。

[1]黃春峰.羅·羅公司——全面動力百年輝煌[R].四川綿陽：中航工業燃氣渦輪研究院，2009.

[2]黃毓敏.全面動力系統方案領跑者——羅爾斯·羅伊斯公司[J].裝備制造，2008：62—64.

[3]依 然.羅爾斯·羅伊斯開始組裝首臺更高推力遄達XWB發動機[J].航空制造技術，2014，(9)：20.

[4]孫明霞，梁春華.遄達7000發動機的由來與發展[J].國際航空，2015(12)：54—55.

[5]羅爾斯·羅伊斯.遄達7000助力空客A330neo首次試飛[N/OL].http://m.sohu.com/a/199209187-716058.

[6]晏武英.羅·羅公司Advance3下一代發動機驗證機通過評審[N/OL].中國國防科技信息網，2015-06-04.http://m.sohu.com/n/414439445/.

[7]孫明霞.羅·羅公司超扇發動機研制進展[J].國際航空，2016，(3)：61—62.

[8]Norris G.Rolls-Royce gearbox and ceramics work aim at next-gen engines[J].Aviation Week&Space Technology，2016.