齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)

1、齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)性已經(jīng)成為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)必須達(dá)到的目標(biāo)。研究表明，提高大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)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(dòng)機(jī)的噪聲。但是，涵道比若增大到一定值會(huì)帶來了一些棘手的問題。因?yàn)樵龃蠛辣龋ㄔ龃箫L(fēng)扇直徑）就要增大短艙的直徑，這直接增大了發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)造成很大的氣動(dòng)損失。若要降低風(fēng)扇的氣動(dòng)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(jī)與低壓渦輪的效率，就要增加低壓系統(tǒng)的級(jí)數(shù)，相應(yīng)增加了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jì)70年代末，普惠公司等航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造商就認(rèn)識(shí)到，如果在風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)間引入一個(gè)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(shí)，使風(fēng)扇在氣動(dòng)損失和噪聲都小的較低的轉(zhuǎn)速下工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過增大發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比，使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性提高和耗油率、使用與維護(hù)成本、噪聲均降低的目的，并開始研究齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造商開始聯(lián)合研究齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)PW8000，驗(yàn)證了一些關(guān)鍵技術(shù)。目前MTU公司已經(jīng)將齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)列為2010年后投入使用的發(fā)動(dòng)機(jī)。 一、齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)PW8000的設(shè)計(jì)特點(diǎn)PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)由實(shí)心的無凸肩的風(fēng)扇、3級(jí)高速低壓壓氣機(jī)、5級(jí)高速高壓比高壓壓氣機(jī)、先進(jìn)的低氮氧化物排放物技術(shù)（TALON）燃燒室、單級(jí)高負(fù)荷高壓渦輪、3級(jí)高速對(duì)轉(zhuǎn)的低壓渦輪、驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的齒輪箱和排氣噴管等構(gòu)成。PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：推力為111156kN（2500030000lbf）；質(zhì)量為3800kg；長(zhǎng)度為3.15m；涵道比為11；壓氣機(jī)總壓比為40；風(fēng)扇直徑為1.

4、93m（同級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)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(dòng)機(jī)的降低了9%。PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)另一個(gè)突出特點(diǎn)是維護(hù)費(fèi)用低。與傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)由原來的20級(jí)減至13級(jí)（減少了40%），壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子葉片數(shù)減少了52%，進(jìn)而使維護(hù)費(fèi)用和使用費(fèi)用分別降低了30%和10%。另外，先進(jìn)的診斷與健康監(jiān)控技術(shù)、單元體設(shè)計(jì)、堅(jiān)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(jī)葉片

5、、先進(jìn)的高性能且低風(fēng)險(xiǎn)的高壓壓氣機(jī)、浮動(dòng)壁燃燒室、允許減少級(jí)數(shù)的齒輪箱，也進(jìn)一步降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。二、齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)PW8000的關(guān)鍵技術(shù) 由于齒輪箱、高速低壓轉(zhuǎn)子和核心機(jī)部件采用輕質(zhì)材料和先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)。1 . 減速齒輪箱減速齒輪箱的質(zhì)量、可靠性是齒輪驅(qū)動(dòng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵。PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱由菲亞特和MTU公司為先進(jìn)涵道推進(jìn)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(dòng)機(jī)的主齒輪箱研究成果，繼承了ADP計(jì)劃的先進(jìn)技術(shù)，吸收了

6、菲亞特公司多年的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和研制經(jīng)驗(yàn)。PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)的齒輪箱是一個(gè)行星系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、熱負(fù)荷較低（比預(yù)計(jì)的低50）等特點(diǎn)。在此結(jié)構(gòu)中，低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)口軸和太陽(yáng)齒輪驅(qū)動(dòng)5個(gè)小行星齒輪，行星齒輪在軸頸軸承上轉(zhuǎn)動(dòng),并驅(qū)動(dòng)環(huán)形齒輪，環(huán)形齒輪再驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇軸。PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)的齒輪箱系統(tǒng)在潤(rùn)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(jī)械方面）進(jìn)行了設(shè)計(jì)革新。潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)主要來自于齒輪箱中80%的發(fā)熱實(shí)際上都來自渦流的形成，而不是潤(rùn)滑這一研究結(jié)果。改進(jìn)設(shè)計(jì)的新潤(rùn)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(rùn)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(fù)荷的堆積。對(duì)軸承系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了真正的自對(duì)準(zhǔn)。齒輪箱中軸頸軸承取得的最大改進(jìn)得益于采用電子機(jī)械分子涂層工藝，大大加強(qiáng)了軸頸軸承所用的不同材料的粘結(jié)效果。設(shè)計(jì)了1個(gè)特殊的真空膜盒（波紋管），將齒輪箱與發(fā)動(dòng)機(jī)其余部分隔開，使齒輪箱不受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)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(cuò)位和應(yīng)力。2. 高速低壓轉(zhuǎn)子高速低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪是PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件之一。目前，直接驅(qū)動(dòng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子因?yàn)楣ぷ髟趤喡曀倭鲃?dòng)區(qū),所以效率很高。而齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高速低壓轉(zhuǎn)子工作在跨聲速流動(dòng)區(qū)，效率提高只能逐漸實(shí)現(xiàn)。由于增加了齒輪箱,且風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)

8、短艙直徑更大，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量更重，故要求高速低壓轉(zhuǎn)子的級(jí)數(shù)與部件數(shù)要明顯減少，低壓部件的負(fù)荷要降低，葉片數(shù)量要進(jìn)一步減少，進(jìn)而降低制造和維護(hù)成本。(1) 高速低壓壓氣機(jī)由于高速低壓壓氣機(jī)工作在比傳統(tǒng)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)高得多的轉(zhuǎn)速和馬赫數(shù)下，所以PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)可以取得較高的性能。其總的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：級(jí)數(shù)減少50%；長(zhǎng)度縮短50%；制造和維護(hù)成本降低；質(zhì)量減輕。盡管高速低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)面臨氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)完整性2個(gè)方面的挑戰(zhàn)，但該高速低壓壓氣機(jī)還是確定了較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)：較高的級(jí)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(zhǎng)的部件壽命（大于20000循環(huán)）；較

9、高的葉尖速度（400m/s）。在氣動(dòng)方面，盡管高速低壓壓氣機(jī)工作在與高壓壓氣機(jī)的負(fù)荷相當(dāng)、且雷諾數(shù)相對(duì)較低的不理想的跨聲速流場(chǎng)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(dāng)今最好的傳統(tǒng)低壓壓氣機(jī)；在結(jié)構(gòu)方面，由于輪緣負(fù)荷要比傳統(tǒng)低壓壓氣機(jī)的高出34倍，故要求其采用類似高壓壓氣機(jī)那樣的機(jī)械設(shè)計(jì)。MTU公司研制了在大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作速度下的3級(jí)高速氣動(dòng)設(shè)計(jì)的低壓壓氣機(jī)，其氣動(dòng)參數(shù)見表1。為了達(dá)到要求的寬工作范圍和好的流量適應(yīng)性，該低壓壓氣機(jī)所有導(dǎo)向葉片幾何形狀均可調(diào)；為了獲取短的軸向長(zhǎng)度和輕的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，采用了大展弦比葉片設(shè)計(jì)；為了在采用高氣

10、動(dòng)負(fù)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(jì)的導(dǎo)向葉片和環(huán)向造型；為了降低噪聲，在試驗(yàn)中，進(jìn)口安裝了用于測(cè)量聲壓分布的16個(gè)擴(kuò)聲器，以弄清其噪聲形成機(jī)理及降低噪聲的潛力；為了實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)最優(yōu)，MTU公司采用同空間研究機(jī)構(gòu)（DLR）Koin緊密合作開發(fā)的先進(jìn)三維 CFD設(shè)計(jì)方法，用適當(dāng)?shù)奈闪髂Ｐ脱芯课闪饔绊?，利用附加的、擴(kuò)展的計(jì)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(jìn)一步減輕質(zhì)量和改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)，PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)高速低壓壓氣機(jī)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(jī)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(zhǎng)，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(jī)械和氣動(dòng)力設(shè)計(jì)空間，MTU公司計(jì)劃將PMC復(fù)合材料應(yīng)用于低壓壓氣機(jī)進(jìn)口靜子葉片、第1級(jí)或第2級(jí)可調(diào)靜子葉片，可減輕質(zhì)量，降低成本；MTU公司準(zhǔn)備采用在CRISP計(jì)劃中設(shè)計(jì)和加工、并在DLR的推進(jìn)技術(shù)研究所試驗(yàn)成功的PMC復(fù)合材料轉(zhuǎn)子葉片，以減輕質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)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(duì)低壓渦輪具有決定性的影響。預(yù)期的PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)高速低壓渦輪的總目標(biāo)是：級(jí)數(shù)減少40%60%；長(zhǎng)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(jìn)口溫度急需提高、機(jī)械負(fù)荷急劇增加和處于跨聲速流動(dòng)區(qū)等不利的工作條件下，還是給PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)高速低壓渦輪確定了較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)：效率大于93%；在高的級(jí)壓比下總壓比為711；葉尖速度大于400m/s；機(jī)械負(fù)荷AN2104m2/s2；渦輪進(jìn)口溫度達(dá)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)，因而，其靜子和轉(zhuǎn)子葉柵內(nèi)部流場(chǎng)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(jī)械負(fù)荷，況且，極高的離心負(fù)荷對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)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(dòng)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(qiáng)的激波前鋒及更大的效率損失。高的機(jī)械負(fù)荷通常是由附加的熱應(yīng)力施加的，而采用單級(jí)高壓渦輪的發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪更容易造成高機(jī)械負(fù)荷。為此，低壓渦輪需要增加主動(dòng)冷卻的進(jìn)口導(dǎo)向器葉片。因而，需要利用模擬流體動(dòng)力學(xué)、傳熱和熱擴(kuò)散過程的先進(jìn)耦合模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，評(píng)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(yàn)，MTU公司設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)的3級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)高速低壓渦輪。壓比為5.7的第1臺(tái)3級(jí)高速低壓渦輪試驗(yàn)件，于1997年在德國(guó)斯圖加特大學(xué)的高空試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行了高空模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：為了提高效率和增大壓比而重新設(shè)計(jì)的葉片，明顯擴(kuò)展了MTU公司跨聲速低壓渦輪設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值；高速低壓渦輪的效率等于最好的常規(guī)設(shè)計(jì)渦輪的效率；采用切邊設(shè)計(jì)可以有效降低噪聲。第2臺(tái)3級(jí)高速低壓渦輪試驗(yàn)件采用了三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)的葉片，在機(jī)械設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了較大改進(jìn)，壓比提高到6.3，于1998年和1999年進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：對(duì)所有葉型重新進(jìn)行的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)提高了流場(chǎng)馬赫數(shù)，增大了氣動(dòng)負(fù)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(jì)渦輪相同或略高的效率；對(duì)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(jìn)，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(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率超過了90%。3. 高效緊湊的核心機(jī) PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)采用與PW6000同樣的核心機(jī)，包括高轉(zhuǎn)速且高轉(zhuǎn)角的高壓壓氣機(jī)、TALON燃燒室和單級(jí)高負(fù)荷高壓渦輪。MTU公司的6級(jí)高負(fù)荷跨聲速高壓壓氣機(jī)的總壓比達(dá)到了11.9，超過了所有現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的平均級(jí)壓比1.5。采用了在可比的性能下具有高的氣動(dòng)穩(wěn)定性和機(jī)械可靠性的緊湊的寬弦葉片，實(shí)現(xiàn)了少級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)；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(hù)成

16、本；進(jìn)口導(dǎo)向器及第1級(jí)葉片排采用了可調(diào)幾何形狀設(shè)計(jì)，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(jí)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(jí)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(jí)燃燒室，前端維持一個(gè)富油段，以提供發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間，降低氮氧化物排放量。該燃燒室采用浮動(dòng)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(jìn)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(dòng)霧化噴嘴，使燃油在很短的時(shí)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(jì)的冷卻空氣擴(kuò)散孔，使燃燒室空氣的稀釋度