先進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展研究

齊曉雪　唐宇峰　魏寶鋒

摘要：本文研究了國外發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，并對(duì)目前較為先進(jìn)的齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和雙驅(qū)動(dòng)增壓級(jí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的原理、技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展情況進(jìn)行了探索，為國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇，雙驅(qū)動(dòng)增壓級(jí)

引言

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是民用飛機(jī)普遍采用的動(dòng)力形式，國外通過多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)?shù)母叨取榱颂嵘l(fā)動(dòng)機(jī)的性能、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)技術(shù)研究，并取得了一定的進(jìn)展。

1 ?國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力大、耗油率低、可靠性高、壽命長，從20世紀(jì)70年代開始，正式配裝飛機(jī)，并成為主要?jiǎng)恿Γ瑥V泛用于民用飛機(jī)。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(jìn)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(jī)市場(chǎng)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要有三種構(gòu)型，分別為常規(guī)構(gòu)型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF發(fā)動(dòng)機(jī)）和三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

常規(guī)構(gòu)型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，受到風(fēng)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(jí)、低壓渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)成為其難點(diǎn)，GE公司憑借自身卓越的氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)水平，以及核心機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，GE90、LEAP-X等常規(guī)形式發(fā)動(dòng)機(jī)研制處于世界領(lǐng)先地位。

目前常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平國外已發(fā)展到相當(dāng)?shù)母叨龋l(fā)展的空間已經(jīng)越來越小。齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等新構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)和研制進(jìn)展

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)通過在風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)之間引入減速齒輪箱，使風(fēng)扇和低壓轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作，提高各部件設(shè)計(jì)水平、提高涵道比、提高推進(jìn)效率，具有部件級(jí)數(shù)少、噪聲低和耗油率低的特點(diǎn)。

由于GTF發(fā)動(dòng)機(jī)與常規(guī)大涵道比相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，國外許多航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司從上世紀(jì)70年代就開始了GTF發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，2008年7月正式推出PW1000G系列GTF發(fā)動(dòng)機(jī)。PW1000G^[1]系列發(fā)動(dòng)機(jī)由1級(jí)風(fēng)扇、齒輪箱、2級(jí)或3級(jí)增壓級(jí)、8級(jí)高壓壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室、2級(jí)高壓渦輪、3級(jí)低壓渦輪等組成。PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力范圍為6804～15876公斤，目前已經(jīng)投入運(yùn)營。

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量的先進(jìn)技術(shù)，主要包括：高壓壓氣機(jī)采用先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，新型的整體葉盤，減輕重量的同時(shí)提高氣動(dòng)穩(wěn)定裕度和工作效率。高壓渦輪葉片采用高升力設(shè)計(jì)，葉尖吹氣的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，提高了渦輪效率;同時(shí)采用新一代單晶材料和熱障涂層，顯著增加發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。低壓渦輪采用高升力葉片設(shè)計(jì)，同時(shí)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(jì)劃采用超扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF發(fā)動(dòng)機(jī)，UltraFan）作為其后續(xù)發(fā)展的一部分，以滿足未來更高推進(jìn)效率和熱效率的需求。UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)推力為44500kgf，涵道比為15。2016年10月，RR公司在姿態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上首次測(cè)試了全球最大功率的齒輪箱，2017年進(jìn)行高功率試驗(yàn)。

3 ?雙驅(qū)動(dòng)增壓級(jí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及進(jìn)展

綜合考慮常規(guī)雙轉(zhuǎn)子對(duì)核心機(jī)的高性能需求，以及GTF發(fā)動(dòng)機(jī)減速齒輪箱的設(shè)計(jì)難度，英國德穩(wěn)航空技術(shù)咨詢公司提出了新型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)——雙驅(qū)動(dòng)增壓級(jí)（DDB）渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案。

該發(fā)動(dòng)機(jī)將一個(gè)行星齒輪系統(tǒng)置于增壓級(jí)和高壓壓氣機(jī)中間，通過齒輪系統(tǒng)同時(shí)從高、低壓軸提取功率驅(qū)動(dòng)增壓級(jí)，使得增壓級(jí)轉(zhuǎn)速在兩個(gè)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(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)為例，太陽輪由高壓軸驅(qū)動(dòng)，行星輪由低壓軸驅(qū)動(dòng)，增壓級(jí)由內(nèi)環(huán)齒輪驅(qū)動(dòng)。

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

4 ?結(jié)束語

目前常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平國外已發(fā)展到相當(dāng)?shù)母叨龋聵?gòu)型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)將是后續(xù)的發(fā)展方向。齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和雙驅(qū)動(dòng)增壓級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過采用減速齒輪箱，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的研發(fā)提供參考。

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