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當前，在大推力(大于70.00kN)高涵道比渦扇發(fā)動機中，風扇均由低壓渦輪直接驅動；一般在風扇轉子后還裝有3～5級增壓壓氣機（有時也稱低壓壓氣機），以增加發(fā)動機的總壓比及內涵的空氣流量。

但這種設計存在先天的缺點，即增壓壓氣機、低壓渦輪均未在它們的最佳轉速下工作，使得發(fā)動機級數增多，這是因為高涵道比渦輪風扇發(fā)動機的風扇直徑很大，受葉尖切線速度限制，風扇轉子只能工作于較低轉速下。由于風扇(加上增壓壓氣機)是由低壓渦輪直接驅動的，增壓壓氣機、低壓渦輪的轉速大大低于它們的最佳工作轉速；為達到發(fā)動機總體設計要求，只得增加增壓壓氣機及低壓渦輪的級數。

在3轉子發(fā)動機中，風扇、中壓壓氣機和高壓壓氣機均在最佳轉速下工作，因而其級數比雙轉子發(fā)動機的少。如果在雙轉子發(fā)動機的低壓渦輪、增壓壓氣機與風扇間裝1個減速器，首先使前二者能在最佳轉速下工作，然后通過減速器將轉速降低到風扇的最佳轉速來驅動風扇工作，這樣，3個部件均工作于最佳轉速下，自然可使級數減少。

齒輪傳動渦輪風扇發(fā)動機（GTF）雖然與3轉子發(fā)動機概念不同，但它是可同樣解決壓氣機和風扇轉速上矛盾的新概念渦輪風扇發(fā)動機。目前，PW公司已在GTF發(fā)動機研發(fā)中生產出驗證發(fā)動機。GTF發(fā)動機采用了1套齒輪機構，在保證低壓渦輪高速旋轉的同時，能使風扇以理想的低速旋轉，不但降低了發(fā)動機的噪聲，也降低了發(fā)動機的油耗。

本文概括性地介紹和分析了PW公司最新研發(fā)的GTF發(fā)動機所采用的新技術。

2 研究和發(fā)展現狀

2007年，PW公司開始對GTF發(fā)動機（如圖1所示）的驗證發(fā)動機（全尺寸推力為136kN）進行地面試驗，這是該公司十多年來在商用發(fā)動機上的最大賭注；2008年，開始對驗證發(fā)動機進行飛行試驗。PW公司將GTF發(fā)動機稱為“清潔動力PW1000G系列發(fā)動機”，涵蓋的推力級別為63～104kN；在尺寸上適用要求推力為62～134kN的新飛機，包括從低端的三菱支線噴氣（MRJ）飛機到最高端的空客和波音公司的下一代單通道飛機。俄羅斯MC-21飛機、龐巴迪的C系列飛機和三菱的支線噴氣飛機已經選擇了GTF發(fā)動機作為其動力裝置；PW公司還將GTF發(fā)動機作為空客和波音下一代單通客機驅動發(fā)動機來競爭。

圖1 GTF發(fā)動機結構簡介

在過去20年中，PW公司在GTF發(fā)動機的研究和發(fā)展上已花費了100億美元，目前每年的運營開銷為1億美元。隨著龐巴迪C系列飛機和三菱支線噴氣飛機于2008年按計劃啟動，PW公司在GTF發(fā)動機研制上的經費投入必然迅速增長。

在美國佛羅里達州、PW公司西棕櫚海灘的測試場開始地面測試的GTF發(fā)動機的驗證機如圖2、3所示。驗證發(fā)動機進行了100h地面測試，所儲備的關鍵技術為2008年啟動的生產型研制奠定了技術基礎。

完成地面測試后，GTF驗證發(fā)動機在PW公司的波音747空中試驗臺上進行了100h飛行測試。在不同的飛行條件(包括失重和風車狀態(tài))，以及不同的機動載荷和偏轉條件下，對風扇驅動系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)進行了測試。預計2011年取證（小編注：最后是在2014年獲得FAA認證），2012年進行飛行測試；2013年，PW公司GTF發(fā)動機將作為三菱支線噴氣（MRJ）飛機和龐巴迪C系列飛機的唯一動力裝置投入使用。

預期在2015年，最早的新型單通客機將投放市場，其所選發(fā)動機應是先進渦輪風扇發(fā)動機或齒輪傳動渦輪風扇發(fā)動機。

由上述已知，PW公司正在研發(fā)的GTF發(fā)動機基于2個尺寸的先進核心機。三菱支線噴氣飛機（MRJ）發(fā)動機的推力約為63～77kN，而龐巴迪C系列飛機發(fā)動機的額定推力約為77～104kN。PW公司計劃將更大推力的核心機用于驅動下一代單通道客機。

為了降低GTF發(fā)動機研發(fā)的成本和風險，PW公司在該項目上采取了合作模式。核心機采用了PW6000渦扇發(fā)動機；Avio公司負責風扇驅動齒輪系統(tǒng)的研制，MTU公司（德國墨尼黑發(fā)動機和渦輪聯合有限公司）負責高速低壓渦輪的研制，VolvoAero公司（沃爾沃航空公司）負責渦輪排氣機匣的研制，Goodrich公司（古德里奇公司）負責細長型引擎艙的研制，等等。

3 先進技術

3.1原理和結構

GTF發(fā)動機的原理比較簡單，就是在雙軸渦扇發(fā)動機的低壓渦輪及增壓壓氣機和風扇之間加入1個齒輪減速器，以使風扇和低壓渦輪及增壓壓氣機都可在各自最有效的轉速下工作，從而達到發(fā)動機最優(yōu)化設計的目的。驅動風扇的減速器可使風扇獨立于低壓壓氣機和渦輪而運行，發(fā)動機低壓渦輪和風扇軸之間的齒輪傳動系統(tǒng)必須采用柔性聯接。

GTF發(fā)動機并不是新概念發(fā)動機。在Honeywell（霍尼威爾）的TFE731商務噴氣飛機發(fā)動機和LF507支線噴氣飛機發(fā)動機上已具有了齒輪傳動渦輪風扇。但該發(fā)動機作為齒輪傳動渦輪風扇發(fā)動機，能夠產生更大推力；而驅動齒輪系統(tǒng)就要傳遞更大的動力，還要具有低質量和高可靠性。

驅動風扇的減速器由下列主要構件組成：1個由發(fā)動機低壓渦輪驅動的中心齒輪，5個星型齒輪，1個與風扇聯接的外環(huán)齒輪（如圖4所示）。

3.2 先進技術

3.2.1 涵道比

增加涵道比（BPR）可提高推進效率。當今驅動窄體客機的發(fā)動機涵道比一般為5～6，而驅動波音787的新型發(fā)動機涵道比為10～11。增加風扇直徑可以提高涵道比，但風扇的轉速必須降低，以保持葉尖速度，從而使損失和噪聲最小。GTF發(fā)動機的涵道比達到了10～12，為用于空客A320和波音737飛機的CFM56與V2500發(fā)動機的2倍左右。涵道比的增大使其油耗比目前渦扇發(fā)動機的降低12％。

3.2.2 風扇轉速和噪聲

葉片機械（風扇、壓氣機與渦輪）是用葉尖切線速度u表征其特點的，只要葉片（特別是榫根）強度足夠，u越大越好，因為葉片對空氣作功（壓氣機、風扇）或氣流對葉片作功（渦輪）的能力是與u2成正比的。在u值一定的情況下，風扇直徑大，其轉速必定小，而渦輪則是在高轉速時工作狀態(tài)更好。如果不使用齒輪傳動，更大更慢的風扇則要求更大更重的低壓渦輪去驅動。非齒輪傳動渦輪風扇發(fā)動機的轉速選為風扇和低壓渦輪最佳工作轉速之間的1個折衷的轉速，使得風扇和低壓渦輪都不能在最佳工作轉速下工作。

在GTF發(fā)動機中將不存在上述問題。風扇由減速器驅動，從而使風扇與低壓渦輪及低壓壓氣機均可在適合的轉速下工作。為了降低風扇噪聲，該發(fā)動機的風扇并未工作于最恰當的葉尖切線速度下，而是采用了低的葉尖切線速度，u=324m/s(PW4084發(fā)動機，u=413.3m/s；TRENT800發(fā)動機，u=478.4m/s；GE90發(fā)動機，u=376.3m/s),此速度較低，對減小噪聲有利，但在葉尖處對空氣的作功不利。為此，PW公司采用先進的計算流體動力學CFD，對葉尖進行了處理，使其具有較先進的性能。

3.2.3 質量

標準型非齒輪傳動發(fā)動機有22～24片葉片，而GTF驗證發(fā)動機只有18片后掠式風扇葉片，這樣，后者風扇系統(tǒng)的質量減輕了；一般標準的發(fā)動機具有3500片低壓壓氣機和低壓渦輪葉片，而GTF發(fā)動機僅有約2000片，可與增加的減速器的質量相抵消；GTF發(fā)動機風扇葉片作成雙弧形、無中間凸肩且空心的結構，質量輕且氣動性能好。

因此，與相應的非齒輪傳動發(fā)動機相比，GTF發(fā)動機的維護成本預計可節(jié)省40%。

3.2.4 其他先進技術

在GTF發(fā)動機中，PW公司還融入了其他先進技術（如圖5所示）。

PW公司在GTF發(fā)動機研制中采用其他先進技術如下。

（1）富油-快冷速混-貧油(RQL)TALON燃燒室，具有先進的燃油/空氣噴嘴和混合器，融合了金屬襯壁（浮壁）和冷卻控制技術，以使在起飛、高海拔巡航和著陸時，該發(fā)動機氮氧化物排放很低；

（2）與NASA正在合作研發(fā)的最新“TALONX”型燃燒室。經驗證，“TALONX”型燃燒室排放極低，并在高/低海拔條件下可平穩(wěn)點火，具有極高的可靠性；

（3）高壓壓氣機具有結構緊湊的特點，采用了整體葉盤與懸臂式的靜子葉片結構；

（4）高壓渦輪應用了先進的氣體動力學、先進的冷卻控制和密封技術；

（5）輕型材料和復合材料風扇葉片；

（6）新型熱防護涂料，可以顯著提高發(fā)動機的耐久性，并延長其在役飛行時間。

在GTF發(fā)動機研制中，PW公司的合作伙伴也應用了不少新的先進技術，例如：負責生產低壓渦輪的MTU公司采用了歐洲[CLEAN（Component Validatorfor Environmentally-friendly Aero-Engine)]環(huán)境友好發(fā)動機部件的有效性技術驗證研究項目的技術，使低壓渦輪僅有3級，而輸出功率與之相似的V2500發(fā)動機的為5級；其設計特點為：切剪過的葉冠，質量較輕的鈦鋁葉片，葉根到葉尖之間的截面積增加，從而進行了減根設計。圖6為GTF發(fā)動機低壓渦輪單元體。

3.2.5 減速器關鍵技術

作為齒輪傳動系統(tǒng)，GTF發(fā)動機減速器原理簡單，概念也不新。其關鍵技術是其設計參數的確定。設計參數的確定涉及傳動齒輪的材料、齒型、公差、磨損容許量、設計極限，以及整個減速器的性能極限、效率目標和耐久性等，而且，低壓轉子和風扇之間的減速器必須采用柔性聯接。

對于選定的減速器設計參數，要進行大量的實驗和驗證，要有專門的齒輪系統(tǒng)試驗設備，試驗設備要具有模擬飛行狀態(tài)和運行特性的能力。實驗和驗證的種類多、時間長，這也解釋了為什么PW公司在GTF發(fā)動機的研發(fā)上那么費時費錢。

高速、大功率減速器是GTF發(fā)動機研制成敗的關鍵。由于具有很多高速大負荷齒輪與軸承，其工作條件惡劣，零件數多，很難保證高的工作可靠性。

4 結束語

PW公司早在20世紀90年代初就宣布研制齒輪傳動渦扇發(fā)動機PW8000，還廣為宣傳已在高速大功率減速器研制上取得突破性的成就[4]。但在隨后幾年中，很少提及PW8000發(fā)動機的研制情況。根據現在公布的資料看，GTF發(fā)動機實際上就是PW8000發(fā)動機的改進型。

2008年，美國PW公司將GTF發(fā)動機改稱為了“清潔動力（PurePowerTM）PW1000G系列發(fā)動機”。本文概括性介紹了新型GTF發(fā)動機的結構和應用的部分先進技術，可供中國航空發(fā)動機研究人員借鑒。