齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)

1、齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)隨著航空發(fā)動機技術(shù)的飛速發(fā)展，較低的燃油消耗率、較好的環(huán)保特性和經(jīng)濟性已經(jīng)成為大涵道比渦扇發(fā)動機必須達到的目標。研究表明，提高大涵道比渦扇發(fā)動機的涵道比能夠提高發(fā)動機的推進效率，并且因降低了排氣速度與風(fēng)扇葉尖速度而減小了發(fā)動機的噪聲。但是，涵道比若增大到一定值會帶來了一些棘手的問題。因為增大涵道比（增大風(fēng)扇直徑）就要增大短艙的直徑，這直接增大了發(fā)動機的質(zhì)量。另外，增大風(fēng)扇的直徑，將使高轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇葉尖速度增加 （風(fēng)扇葉尖馬赫數(shù)大于1.4），會造成很大的氣動損失。若要降低風(fēng)扇的氣動損失，就必須降低轉(zhuǎn)速，而降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，就降低了低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地，也就降低了低

2、壓系統(tǒng)的效率。為了保持低壓壓氣機與低壓渦輪的效率，就要增加低壓系統(tǒng)的級數(shù)，相應(yīng)增加了發(fā)動機的質(zhì)量，使得系統(tǒng)復(fù)雜化。顯然，通過增大涵道比的方式提高發(fā)動機性能的潛力已經(jīng)不大，因而人們開始探索開發(fā)新的方案。20世紀70年代末，普惠公司等航空發(fā)動機設(shè)計與制造商就認識到，如果在風(fēng)扇和低壓壓氣機間引入一個減速齒輪箱，就可以在低壓轉(zhuǎn)子保持能夠取得較高效率的高轉(zhuǎn)速下工作的同時，使風(fēng)扇在氣動損失和噪聲都小的較低的轉(zhuǎn)速下工作，進而實現(xiàn)通過增大發(fā)動機涵道比，使發(fā)動機可靠性提高和耗油率、使用與維護成本、噪聲均降低的目的，并開始研究齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機。20世紀80年代末、90年代初，普惠、菲亞特航空（Fiat Avio

3、）和MTU等航空發(fā)動機設(shè)計與制造商開始聯(lián)合研究齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機PW8000，驗證了一些關(guān)鍵技術(shù)。目前MTU公司已經(jīng)將齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機列為2010年后投入使用的發(fā)動機。 一、齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機PW8000的設(shè)計特點PW8000發(fā)動機由實心的無凸肩的風(fēng)扇、3級高速低壓壓氣機、5級高速高壓比高壓壓氣機、先進的低氮氧化物排放物技術(shù)（TALON）燃燒室、單級高負荷高壓渦輪、3級高速對轉(zhuǎn)的低壓渦輪、驅(qū)動風(fēng)扇的齒輪箱和排氣噴管等構(gòu)成。PW8000發(fā)動機主要技術(shù)指標：推力為111156kN（2500030000lbf）；質(zhì)量為3800kg；長度為3.15m；涵道比為11；壓氣機總壓比為40；風(fēng)扇直徑為1.

4、93m（同級發(fā)動機的為1.65m）。其齒輪箱環(huán)形齒輪質(zhì)量為220kg，直徑為0.4318m（17in），減速比為3：1，額定功率為23800kW(32300shp),效率達99%。其污染物排放量較1996年規(guī)定的水平至少降低40%，燃油消耗量較傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的降低了9%。PW8000發(fā)動機另一個突出特點是維護費用低。與傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機相比，該發(fā)動機轉(zhuǎn)子數(shù)由原來的20級減至13級（減少了40%），壓氣機和渦輪轉(zhuǎn)子葉片數(shù)減少了52%，進而使維護費用和使用費用分別降低了30%和10%。另外，先進的診斷與健康監(jiān)控技術(shù)、單元體設(shè)計、堅固的無凸肩風(fēng)扇、優(yōu)化間距的風(fēng)扇和分流器、低展弦比的低壓與高壓壓氣機葉片

5、、先進的高性能且低風(fēng)險的高壓壓氣機、浮動壁燃燒室、允許減少級數(shù)的齒輪箱，也進一步降低了發(fā)動機的維護費用。二、齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機PW8000的關(guān)鍵技術(shù) 由于齒輪箱、高速低壓轉(zhuǎn)子和核心機部件采用輕質(zhì)材料和先進的氣動設(shè)計技術(shù)，PW8000發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、燃油消耗率低、噪聲小、質(zhì)量輕等特點。1 . 減速齒輪箱減速齒輪箱的質(zhì)量、可靠性是齒輪驅(qū)動的渦扇發(fā)動機研制的關(guān)鍵。PW8000發(fā)動機齒輪箱由菲亞特和MTU公司為先進涵道推進器（ADP）方案聯(lián)合研制的29800kW的齒輪箱衍變而來，其研制采用了普惠公司多年來渦輪螺槳、渦輪軸和較小渦扇發(fā)動機的主齒輪箱研究成果，繼承了ADP計劃的先進技術(shù)，吸收了

6、菲亞特公司多年的設(shè)計、試驗和研制經(jīng)驗。PW8000發(fā)動機的齒輪箱是一個行星系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、熱負荷較低（比預(yù)計的低50）等特點。在此結(jié)構(gòu)中，低壓轉(zhuǎn)子進口軸和太陽齒輪驅(qū)動5個小行星齒輪，行星齒輪在軸頸軸承上轉(zhuǎn)動,并驅(qū)動環(huán)形齒輪，環(huán)形齒輪再驅(qū)動風(fēng)扇軸。PW8000發(fā)動機的齒輪箱系統(tǒng)在潤滑、冷卻系統(tǒng)、軸承和控制齒輪箱的撓曲等方面（而不是在齒輪箱本身的機械方面）進行了設(shè)計革新。潤滑和冷卻系統(tǒng)的改進主要來自于齒輪箱中80%的發(fā)熱實際上都來自渦流的形成，而不是潤滑這一研究結(jié)果。改進設(shè)計的新潤滑系統(tǒng)將滑油循環(huán)出齒輪的速度提高了1倍，滑油只傳輸?shù)烬X輪箱內(nèi)真正需要潤滑的區(qū)域，然后盡快循環(huán)出齒輪箱，高效

7、地排出熱量，防止熱負荷的堆積。對軸承系統(tǒng)進行了重新設(shè)計，實現(xiàn)了真正的自對準。齒輪箱中軸頸軸承取得的最大改進得益于采用電子機械分子涂層工藝，大大加強了軸頸軸承所用的不同材料的粘結(jié)效果。設(shè)計了1個特殊的真空膜盒（波紋管），將齒輪箱與發(fā)動機其余部分隔開，使齒輪箱不受發(fā)動機工作時產(chǎn)生的撓曲損傷。減速齒輪箱采用了自定中心的技術(shù)，消除了齒輪錯位和應(yīng)力。2. 高速低壓轉(zhuǎn)子高速低壓壓氣機和低壓渦輪是PW8000發(fā)動機關(guān)鍵部件之一。目前，直接驅(qū)動的渦扇發(fā)動機的低壓轉(zhuǎn)子因為工作在亞聲速流動區(qū),所以效率很高。而齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機的高速低壓轉(zhuǎn)子工作在跨聲速流動區(qū)，效率提高只能逐漸實現(xiàn)。由于增加了齒輪箱,且風(fēng)扇與發(fā)動機

8、短艙直徑更大，發(fā)動機的質(zhì)量更重，故要求高速低壓轉(zhuǎn)子的級數(shù)與部件數(shù)要明顯減少，低壓部件的負荷要降低，葉片數(shù)量要進一步減少，進而降低制造和維護成本。(1) 高速低壓壓氣機由于高速低壓壓氣機工作在比傳統(tǒng)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機高得多的轉(zhuǎn)速和馬赫數(shù)下，所以PW8000發(fā)動機的低壓壓氣機可以取得較高的性能。其總的設(shè)計目標是：級數(shù)減少50%；長度縮短50%；制造和維護成本降低；質(zhì)量減輕。盡管高速低壓壓氣機設(shè)計面臨氣動性能和結(jié)構(gòu)完整性2個方面的挑戰(zhàn)，但該高速低壓壓氣機還是確定了較高的設(shè)計指標：較高的級壓比；較高的多變效率（89%）；較寬的工作范圍；較大的喘振裕度（超過20%）；較長的部件壽命（大于20000循環(huán)）；較

9、高的葉尖速度（400m/s）。在氣動方面，盡管高速低壓壓氣機工作在與高壓壓氣機的負荷相當、且雷諾數(shù)相對較低的不理想的跨聲速流場條件下，流道幾何形狀又可能受齒輪箱的限制和粗大支桿的干擾，但是，其工作范圍和部件效率必須等于或超過當今最好的傳統(tǒng)低壓壓氣機；在結(jié)構(gòu)方面，由于輪緣負荷要比傳統(tǒng)低壓壓氣機的高出34倍，故要求其采用類似高壓壓氣機那樣的機械設(shè)計。MTU公司研制了在大涵道比發(fā)動機典型工作速度下的3級高速氣動設(shè)計的低壓壓氣機，其氣動參數(shù)見表1。為了達到要求的寬工作范圍和好的流量適應(yīng)性，該低壓壓氣機所有導(dǎo)向葉片幾何形狀均可調(diào)；為了獲取短的軸向長度和輕的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，采用了大展弦比葉片設(shè)計；為了在采用高氣

10、動負荷葉片前提下取得滿意的效率和大的喘振裕度，采用了三維設(shè)計的導(dǎo)向葉片和環(huán)向造型；為了降低噪聲，在試驗中，進口安裝了用于測量聲壓分布的16個擴聲器，以弄清其噪聲形成機理及降低噪聲的潛力；為了實現(xiàn)氣動設(shè)計最優(yōu)，MTU公司采用同空間研究機構(gòu)（DLR）Koin緊密合作開發(fā)的先進三維 CFD設(shè)計方法，用適當?shù)奈闪髂Ｐ脱芯课闪饔绊?，利用附加的、擴展的計算碼模擬靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片間的高度非穩(wěn)交互作用，估算出在轉(zhuǎn)子葉片上出現(xiàn)的并沖擊到上游導(dǎo)向器上的上游傳播激波的影響。為了進一步減輕質(zhì)量和改進機械設(shè)計，PW8000發(fā)動機高速低壓壓氣機采用了一些新穎的結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)材料。例如，低壓壓氣機采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，使質(zhì)量減輕

11、（減輕15%20%），壽命延長，可靠性提高；由于通過優(yōu)化纖維取向修正特定應(yīng)用的復(fù)合材料靜子葉片的固有頻率可以允許加大其許用機械和氣動力設(shè)計空間，MTU公司計劃將PMC復(fù)合材料應(yīng)用于低壓壓氣機進口靜子葉片、第1級或第2級可調(diào)靜子葉片，可減輕質(zhì)量，降低成本；MTU公司準備采用在CRISP計劃中設(shè)計和加工、并在DLR的推進技術(shù)研究所試驗成功的PMC復(fù)合材料轉(zhuǎn)子葉片，以減輕質(zhì)量和實現(xiàn)三維氣動設(shè)計形狀。（2）高速低壓渦輪風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分開對低壓渦輪具有決定性的影響。預(yù)期的PW8000發(fā)動機高速低壓渦輪的總目標是：級數(shù)減少40%60%；長度縮短20%；制造/維修成本降低；質(zhì)量減輕20%。盡管面臨著

12、渦輪進口溫度急需提高、機械負荷急劇增加和處于跨聲速流動區(qū)等不利的工作條件下，還是給PW8000發(fā)動機高速低壓渦輪確定了較高的設(shè)計指標：效率大于93%；在高的級壓比下總壓比為711；葉尖速度大于400m/s；機械負荷AN2104m2/s2；渦輪進口溫度達1300K；部件壽命不小于20000循環(huán)?，F(xiàn)代傳統(tǒng)低壓渦輪的高效率主要得益于適中的亞聲速流動馬赫數(shù)。而高速低壓渦輪較高的切線速度導(dǎo)致了幾乎所有的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片排都處于跨聲速流動狀態(tài)，因而，其靜子和轉(zhuǎn)子葉柵內(nèi)部流場包含了局部埋置的激波前鋒。這些激波前鋒同邊界層相互作用，并產(chǎn)生附加損失，趨向于降低高速低壓渦輪的效率。低壓渦輪較高的切線速度又導(dǎo)致渦

13、輪盤出現(xiàn)高的機械負荷，況且，極高的離心負荷對轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計也有重大影響。例如，在輪轂截面處，該葉片根部型面的橫截面和厚度較之傳統(tǒng)低壓渦輪明顯加大和增厚。增厚的型面與增大的馬赫數(shù)，將造成更大的流動堵塞，導(dǎo)致在吸力邊輪廓處出現(xiàn)更大的峰值馬赫數(shù)，引起更強的激波前鋒及更大的效率損失。高的機械負荷通常是由附加的熱應(yīng)力施加的，而采用單級高壓渦輪的發(fā)動機的低壓渦輪更容易造成高機械負荷。為此，低壓渦輪需要增加主動冷卻的進口導(dǎo)向器葉片。因而，需要利用模擬流體動力學(xué)、傳熱和熱擴散過程的先進耦合模型進行瞬態(tài)熱分析，評估葉片結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力。利用過去15年所研究的高速低壓渦輪的技術(shù)和成果以及在軍用高壓渦輪研制和批生產(chǎn)方面

14、積累的豐富經(jīng)驗，MTU公司設(shè)計并試驗了PW8000發(fā)動機的3級對轉(zhuǎn)高速低壓渦輪。壓比為5.7的第1臺3級高速低壓渦輪試驗件，于1997年在德國斯圖加特大學(xué)的高空試驗設(shè)備上進行了高空模擬試驗。試驗表明：為了提高效率和增大壓比而重新設(shè)計的葉片，明顯擴展了MTU公司跨聲速低壓渦輪設(shè)計的經(jīng)驗值；高速低壓渦輪的效率等于最好的常規(guī)設(shè)計渦輪的效率；采用切邊設(shè)計可以有效降低噪聲。第2臺3級高速低壓渦輪試驗件采用了三維氣動設(shè)計的葉片，在機械設(shè)計方面進行了較大改進，壓比提高到6.3，于1998年和1999年進行了試驗。試驗表明：對所有葉型重新進行的三維氣動設(shè)計提高了流場馬赫數(shù)，增大了氣動負荷，使低壓渦輪在較高壓比

15、下取得了與最好的常規(guī)設(shè)計渦輪相同或略高的效率；對非穩(wěn)葉排相互作用與端壁流區(qū)的研究和二次流管理的改進，使核心氣流損失大大減少；具有很好的操作特性和極高的效率；氣動設(shè)計點的效率超過了90%。3. 高效緊湊的核心機 PW8000發(fā)動機采用與PW6000同樣的核心機，包括高轉(zhuǎn)速且高轉(zhuǎn)角的高壓壓氣機、TALON燃燒室和單級高負荷高壓渦輪。MTU公司的6級高負荷跨聲速高壓壓氣機的總壓比達到了11.9，超過了所有現(xiàn)役航空發(fā)動機壓氣機的平均級壓比1.5。采用了在可比的性能下具有高的氣動穩(wěn)定性和機械可靠性的緊湊的寬弦葉片，實現(xiàn)了少級數(shù)設(shè)計；采用了寬弦葉片，減少了轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的數(shù)量，降低了制造、使用和維護成

16、本；進口導(dǎo)向器及第1級葉片排采用了可調(diào)幾何形狀設(shè)計，在全轉(zhuǎn)速下提供了寬廣和穩(wěn)定的工作范圍；為了從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)部引氣，第4級裝有數(shù)根管子，將壓縮和加熱的空氣引入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部，以降低轉(zhuǎn)子盤的溫度梯度，從而減小熱應(yīng)力；前4級轉(zhuǎn)子的材料采用鈦合金，而后端部件則采用鎳合金。低排放燃燒室采用的是普惠公司研制的第2代TALON燃燒室。該燃燒室是一種富油-粹熄-貧油（RQL）分級燃燒室，前端維持一個富油段，以提供發(fā)動機安全工作所需的穩(wěn)定性和其他性能。接下來的是快速粹熄區(qū)，空氣與從前端來的富油混合物快速混合，縮短高溫時間，降低氮氧化物排放量。該燃燒室采用浮動壁火焰筒，易于更換和維修；采用碳化硅/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料涂層和沖擊氣膜冷卻技術(shù)，可以進一步降低冷卻空氣量，從而降低氮氧化物的排放量；采用氣動霧化噴嘴，使燃油在很短的時間內(nèi)充分霧化，并完全燃燒，可以降低燃燒室污染物的排放量；采用重新設(shè)計的冷卻空氣擴散孔，使燃燒室空氣的稀釋度