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涡扇发动机进入新齿轮时代

作者:航空知识     时间:2016-08-08 09:49:02

现代民航客机的动力普遍为大推力(大于70千牛)涡轮风扇发动机,与涡喷发动机相比,其具有推力大、油耗低、噪音小等特点,此类发动机的主要动力来源由低压涡轮直接驱动的风扇提供。低压涡轮不仅驱动风扇,还驱动同在一根轴上的低压压气机转子。这种设计虽然已经被广泛应用,但是却具有一个先天性问题——风扇与低压压气机无法分别在它们的最佳转速区间工作。

造成这个问题的原因得从喷气发动机的工作原理说起。早期的涡轮喷气发动机没有风扇结构,主要推力来自从涡轮后喷出的高温高速射流,但由于涡喷发动机直径较小,导致空气流量小,推力级别无法有较大提升。同时,由涡轮直接喷射出的气流温度超过800摄氏度,这些热量没有转化为动能,而是直接排放,造成能量浪费。因此涡轮风扇发动机应运而生。

与涡喷相比,涡扇发动机在低压压气机前增加了一级直径较大的风扇转子,这样,发动机的主要动力来源不再是涡轮后的射流,而是靠风扇“吹”出的冷空气。动量守恒定律告诉我们,单位时间内流经风扇涵道的冷空气越多(质量越大),速度越快,推力就越大,因此理论上只要增大风扇直径和转速,就可获得更多推力。

但是,决定推力大小的风扇直径与转速不能无限放大,主要受限条件为噪音、叶片效率以及叶片榫根和风扇轮盘的强度。为满足这些限制,风扇叶尖切线速度一般都不会超过400450/秒,因此如果增加风扇直径(保证空气流量),必须降低转速。但是,与风扇共轴的低压压气机却需要较高的转速(大于7 000/分钟)保证增压效率。两者相互制约,均无法以最佳转速区间工作。

为缓解两者的转速问题,三转子发动机应运而生。与双转子相比,三转子明显的优点是:相同增压比下级数少,可调静子叶片和放气活门少,转子短,转子刚性好以及启动加速性能优秀。但是,三转子发动机的缺点也十分突出——结构异常复杂,支承、传力、润滑十分困难,低压涡轮级数多,维护性差。因此目前世界上只有英国罗罗公司的RB211,遄达系列,英、意、德三国合作生产的RB199以及前苏联的D18TD36等少数发动机采用三转子设计。

为了使风扇和低压压气机达到它们的最佳工作转速,人们想到了在两者之间增加减速器。在此情况下,带齿轮减速器的涡扇发动机应运而生,而由普惠公司生产的静洁动力?PW1100G-JM型发动机齿轮传动式涡扇TM发动机(GTF)历经数年研发试验,已于2016120日为交付德国汉莎航空的首架A320neo提供动力。

这台装机的PW1100G-JM为普惠静洁动力PW1000G发动机系列中的一员,根据普惠发动机命名规则,第一位数字“1”或“1000”代表“代级”,第二位数字为飞机制造商(1为空客),最后两位为发动机标准推力,字母“G”则是该系列发动机的精髓——齿轮(gear)减速器。

PW1000G发动机在风扇转子与低压压气机之间安装了一台齿轮减速器,因风扇转速降低,提供动力的涡轮轴扭矩减小,其总级数较没有安装减速器的同级别发动机有了巨大改变,它比传统发动机在叶片轮盘结构上少了至少6个级数,单是低压涡轮级一项,就比其他同类发动机减少了约2 000片叶片,极大降低了各项成本。

齿轮减速器的应用使风扇转速下降,最直接的好处体现在噪音降低,根据普惠官方数据,静洁动力系列发动机可将飞机噪音减少75%。风扇转速的下释放了低压压气机的转速空间,提高了增压效率,使压缩空气可以更充分的和燃油在燃烧室中混合燃烧,普惠官方给出的指标为“燃油消耗率降低15%”,而运营方汉莎航空在212日表示,“降低15%的油耗不仅已经实现,还有所超越。”要知道,一款全新的发动机要达到设计油耗指标,往往需要一定的磨合时间,而PW1100G-JM在初装之际就超越标准,无不体现其优秀的性能。

当然,齿轮传动式涡扇发动机并非普惠一家,阿斯泰方、ALF502TFE731以及LF500系列发动机均采用了齿轮减速器,由于当时的技术限制,这些早期的、在涡轴发动机基础上改型而成的小型齿轮传动涡扇发动机,减速器不仅体积与质量大,结构复杂,在高转速、高负荷的情况下,齿轮、支承齿轮的轴承运转环境会变得异常恶劣,极易发生故障,这些大大限制了该结构在涡扇发动机中的应用。小型涡扇都是如此,更不要提在推力更大的大型涡扇发动机中应用齿轮减速器。因为这需要减速器在极高的输入转速(约10 000/分钟)和极高的传动功率(大于30 000千瓦)下安全、可靠地工作。这在20世纪90年代的技术条件下无法做到。

时至1998年,普惠公司公布了一项新型发动机的发展计划——齿轮传动风扇的大涵道比涡扇发动机PW8000,这是大推力发动机中第一种采用齿轮传动的大涵道比发动机,由单级风扇,3级低压、5级高压压气机,1级高压和3级低压涡轮组成。该减速器传动功率为23 860千瓦,减速比约为31(输入转速9 160/分钟,输出转速3 250/分钟),具有体积小(外径0.457米)、质量轻(640千克,每100马力质量仅0.98千克)、可靠性高和传动效率高(99.5%)等特点。因传动效率高,不仅功率损失小,而且用于冷却、润滑齿轮传动装置的滑油升温仅27摄氏度,大大减小了散热器的体积。然而,由于当时并没有飞机选用该发动机,这台涵道比高达11、推力为116162千牛的PW8000研发工作宣布终止。

PW8000项目虽然终止,但齿轮系统的概念却在PW308核心机上得到了发展。2005年,在“绿色航空”形势的驱使下,普惠重启了具有齿轮传动风扇的大涵道比发涡扇发动机研发工作,并于2008年将此发动机命名为“静洁动力”PW1000G

目前,除已装机汉莎航空A320neoPW1100G-JM发动机外,其他推力级别,或适用其他机型的GTF发动机也在稳步向前,20151111日,普惠PW1200G发动机就为日本支线客机MRJ的首飞提供了动力。日后将为巴航E190提供动力的PW1900G也已开始了空中测试试验。中国方面,四川航空选择了24架以PW1100G-JM发动机为动力的A320neo,成为首家直接订购静洁动力发动机的中国航空公司。这批飞机预计于2017年开始交付。