齒輪傳動(dòng)成為大型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)典結(jié)構(gòu)

齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)已在民用大型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)版圖上悄然擴(kuò)張，正成為未來先進(jìn)超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。羅羅公司首臺(tái)“超扇”（UltraFan）發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)UF001是齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在大推力/功率渦扇/槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的重要一步。齒輪傳動(dòng)是在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇/槳扇和低壓壓氣機(jī)之間加入一個(gè)齒輪減速器，使風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪都在最佳轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。本文研究的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是指帶有風(fēng)扇/槳扇的大推力/功率燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，不涉及渦槳/渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)楹笳弑旧砭蛶в袦p速器系統(tǒng)。齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)不是新概念發(fā)動(dòng)機(jī)，齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也不是新概念結(jié)構(gòu)。在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，早在普惠公司開發(fā)齒輪傳動(dòng)渦扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)之前，1969年萊康明公司就開始研制ALF502發(fā)動(dòng)機(jī)，這是世界上第一型齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，1976年ALF502H和ALF502L取得了美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）頒發(fā)的適航證，1992年年底ALF502停止了生產(chǎn)。1969年，蓋瑞公司開始研制齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)TFE731，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于公務(wù)機(jī)，目前已有30余種公務(wù)機(jī)采用了該發(fā)動(dòng)機(jī)，包括“獎(jiǎng)狀”和“灣流”等。但萊康明公司和蓋瑞公司并未在齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方面走得太遠(yuǎn)，主要原因是高轉(zhuǎn)速（大于10000r/min）、大功率（大于30000～40000kW）的齒輪減速器設(shè)計(jì)技術(shù)難度過大。在普惠公司之前，尚未出現(xiàn)過將齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)用于大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的先例，但用于大功率開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)）則早已有之。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)民用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的商業(yè)模式都具有周期長(zhǎng)、資本密集和追求技術(shù)極限的特點(diǎn)。由于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈與價(jià)值鏈不同，商業(yè)模式存在較大的差異。結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪盤的半徑更小而厚度更大，即在耗油率相同時(shí)，齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)更少，風(fēng)扇直徑更小，長(zhǎng)度會(huì)更短且質(zhì)量會(huì)更輕。與同等推力級(jí)別的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相比，齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑幾乎小一半，如111～133kN推力的PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑為1.9～2.03m，而開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的槳扇直徑則大約是其2倍，達(dá)到3.6～4.6m。加之開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)如果安裝在機(jī)翼下，就需要更高更大的起落架；安裝在機(jī)體后部，則要求對(duì)機(jī)體進(jìn)行加強(qiáng)，這都會(huì)增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量；如果采取翼吊安裝，其噪聲會(huì)急劇增大，需要在飛機(jī)上增加額外的消聲裝置。性能優(yōu)勢(shì)對(duì)葉輪機(jī)械而言，葉片對(duì)空氣做功（風(fēng)扇/槳扇、壓氣機(jī)），或是氣流對(duì)葉片做功（渦輪），是與葉尖的切線速度（V）的平方（V2）成正比，因此，只要葉片強(qiáng)度足夠，V越大越好。值得一提的是，V越大，噪聲也越大。但切線速度不能無限制增大，須有一定界限值，如果風(fēng)扇葉尖馬赫數(shù)（Ma）大于1.4，會(huì)造成很大的氣動(dòng)損失，過猶不及，效率反而降低。非齒輪傳動(dòng)的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)是選取最佳轉(zhuǎn)速之間的一個(gè)折中點(diǎn)，沒有工作在最佳轉(zhuǎn)速。眾所周知，采用齒輪傳動(dòng)就能完美地解決這一問題，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇/槳扇在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，而低壓壓氣機(jī)、低壓渦輪在高轉(zhuǎn)速下工作，進(jìn)而能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)降低油耗、排放和噪聲等一系列設(shè)計(jì)目標(biāo)。雖然齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)增加了一個(gè)減速器，增加了額外的質(zhì)量，但因?yàn)轱L(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)、低壓渦輪都在最佳轉(zhuǎn)速運(yùn)行而使得效率更高，其葉片數(shù)量可以更少，從而可與增加的減速器質(zhì)量相抵消。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商選擇的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)普惠公司普惠公司研究齒輪傳動(dòng)技術(shù)始于1987年，至今已有30多年的歷史。普惠公司是力主采用齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的典范，率先開始探索研究大推力GTF發(fā)動(dòng)機(jī)。在普惠公司之前，沒有哪家公司將齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)引入大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，而在普惠公司之后，眾多發(fā)動(dòng)機(jī)原始設(shè)備制造商（OEM）競(jìng)相跟隨。普惠公司PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)及齒輪減速器PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比為12∶1，齒輪傳動(dòng)比為3∶1，而普惠公司正在與美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）合作開發(fā)第二代GTF發(fā)動(dòng)機(jī)，涵道比高達(dá)18∶1。同時(shí)，普惠公司正在研究傳動(dòng)比最低為4∶1的齒輪箱以滿足下一代客機(jī)的需求，現(xiàn)有齒輪箱采用的是5個(gè)星形結(jié)構(gòu)的固定齒輪，而下一代齒輪箱由于傳動(dòng)比提高，則需要采用全動(dòng)行星齒輪的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)效率更高。羅羅公司2021年3月29日，羅羅公司宣布開始組裝首臺(tái)“超扇”（UltraFan）發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)UF001，預(yù)計(jì)將于2021年年內(nèi)完工。值得注意的是，羅羅公司在“超扇”發(fā)動(dòng)機(jī)上歷史性地采用了齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)?！俺取卑l(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力齒輪箱（PGB）被命名為DP211，以紀(jì)念羅羅公司的RB211發(fā)動(dòng)機(jī)系列?！俺取卑l(fā)動(dòng)機(jī)是羅羅公司針對(duì)未來大型民機(jī)開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)，集成了公司最先進(jìn)的技術(shù)，涵道比為15∶1，總壓比為70∶1，油耗相比遄達(dá)700降低了25%。“超扇”發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)包括變距風(fēng)扇、帶出口導(dǎo)向葉片支撐的懸臂短艙、新型核心機(jī)等。其中引人注目的動(dòng)力齒輪箱是“超扇”發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)之一，采用星形齒輪結(jié)構(gòu)，使之設(shè)計(jì)輸出功率將達(dá)74570kW。“超扇”發(fā)動(dòng)機(jī)的減速齒輪箱為了開發(fā)動(dòng)力齒輪箱，羅羅公司與利勃海爾航宇公司合資成立了航宇傳動(dòng)技術(shù)（ATT）公司，羅羅公司投資了6500萬英鎊在德國(guó)柏林南郊的達(dá)勒維茨小鎮(zhèn)建造用于試驗(yàn)齒輪傳動(dòng)裝置的試驗(yàn)臺(tái)，以開展齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)研究。自20世紀(jì)70年代以來，羅羅公司在大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的主要產(chǎn)品就是RB211系列及以后的遄達(dá)系列，均采用三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在2014年開始研制“超扇”發(fā)動(dòng)機(jī)以前，羅羅公司從未在大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上采用齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。但在渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)上，例如，AE2100、T56、250型和升力風(fēng)扇上，羅羅公司則積累了豐富的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，這也是羅羅公司開發(fā)“超扇”發(fā)動(dòng)機(jī)用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。GE公司2021年6月14日，GE公司和賽峰集團(tuán)聯(lián)合推出可持續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)革新技術(shù)（RISE）計(jì)劃，RISE計(jì)劃的核心是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率，包括研發(fā)一個(gè)開放式風(fēng)扇架構(gòu)。在RISE計(jì)劃中值得關(guān)注的一點(diǎn)是，這個(gè)開放式風(fēng)扇架構(gòu)也將采用齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。在此之前的數(shù)十年里，在渦扇/槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，GE公司一直都是采用直接驅(qū)動(dòng)而不是齒輪傳動(dòng)，例如，CF6、CFM56、LEAP、GEnx、GE90、GE9X等。GE公司曾經(jīng)研發(fā)過的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)GE36也采用直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，因GE公司認(rèn)為齒輪箱質(zhì)量大、維護(hù)困難，制造費(fèi)用高。近年來，隨著各種高涵道比、超高涵道比、開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，包括RISE計(jì)劃的開放式風(fēng)扇架構(gòu)的發(fā)展，GE公司也轉(zhuǎn)向采用齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，RISE計(jì)劃事實(shí)上也是GE公司關(guān)注齒輪結(jié)構(gòu)的一個(gè)集中體現(xiàn)。事實(shí)上，GE公司早在2016年就已經(jīng)開始關(guān)注齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)聯(lián)合技術(shù)公司（現(xiàn)雷神技術(shù)公司）在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)上的相關(guān)專利發(fā)起攻擊，聲稱在這些專利申請(qǐng)之前，GE公司已經(jīng)對(duì)此有了數(shù)十年的研究，聲稱這些專利是業(yè)內(nèi)眾所周知的工藝，共向美國(guó)專利商標(biāo)局的審查委員會(huì)提交了33份申請(qǐng)普惠專利無效的請(qǐng)?jiān)笗?，最近一次是?020年1月。時(shí)至今日，GE公司和雷神技術(shù)公司在齒輪傳動(dòng)方面的一些專利仍是糾紛不斷。賽峰集團(tuán)賽峰集團(tuán)堅(jiān)持認(rèn)為，采用齒輪傳動(dòng)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)是迄今已知的唯一一種具有減少兩位數(shù)油耗潛力并能滿足未來社區(qū)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)是在20世紀(jì)70—80年代由美國(guó)率先開展研究，GE公司的GE36和普惠/艾立遜公司的578DX開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)都已進(jìn)行過飛行測(cè)試，但后來隨著油價(jià)下跌，兩個(gè)項(xiàng)目在20世紀(jì)90年代初都被擱置了，只有俄羅斯繼續(xù)發(fā)展了開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)，當(dāng)溫室氣體排放成為立法因素時(shí)，美歐才重新恢復(fù)對(duì)這一技術(shù)的關(guān)注。在美國(guó)，NASA、GE公司和FAA于2009—2012年曾合作進(jìn)行了開式轉(zhuǎn)子的風(fēng)洞測(cè)試。在歐洲可持續(xù)綠色發(fā)動(dòng)機(jī)（SAGE）計(jì)劃下，由羅羅公司領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)評(píng)估了直接驅(qū)動(dòng)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，而以賽峰集團(tuán)為首的團(tuán)隊(duì)則驗(yàn)證了齒輪傳動(dòng)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)SAGE2，采用對(duì)轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子（CROR）構(gòu)型。羅羅公司的項(xiàng)目后來進(jìn)行了范圍調(diào)整，將重點(diǎn)放在貧油燃燒方面，而賽峰集團(tuán)則使用M88軍用發(fā)動(dòng)機(jī)作為燃?xì)獍l(fā)生器開發(fā)了CROR地面驗(yàn)證機(jī)。賽峰集團(tuán)于2017年5—12月進(jìn)行了超過70h齒輪傳動(dòng)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)地面測(cè)試，驗(yàn)證了關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)集成，證實(shí)了其始終堅(jiān)持的開式轉(zhuǎn)子構(gòu)型的巨大潛力。自“清潔天空”計(jì)劃于2017年完成之后，最初的CROR團(tuán)隊(duì)（賽峰集團(tuán)、阿維奧公司、吉?jiǎng)P恩公司和萊奧納多公司）一直是開式轉(zhuǎn)子概念的積極支持者。賽峰集團(tuán)和GE公司聯(lián)合推出的RISE計(jì)劃將發(fā)展開放式風(fēng)扇架構(gòu)。這是一種新型的齒輪傳動(dòng)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，采用“牽引式”構(gòu)型，與采用“推進(jìn)式”構(gòu)型的CROR、GE36和578DX開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)不同，其開式轉(zhuǎn)子位于燃?xì)獍l(fā)生器的前部而不是后部，這種概念構(gòu)型無須進(jìn)行重大修改就可以在現(xiàn)有飛行測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行飛行測(cè)試。事實(shí)上，開放式風(fēng)扇架構(gòu)之所以采用這種“牽引式”構(gòu)型，是因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)的機(jī)械可靠性更高，還可以參考公司的早期設(shè)計(jì)。采用“牽引式”構(gòu)型的開放式風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)

采用“推進(jìn)式”構(gòu)型的578DX開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)賽峰集團(tuán)在此之前已研究過齒輪傳動(dòng)的“牽引式”開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型：第一種，由一個(gè)低壓傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)CROR，即低壓軸通過燃?xì)獍l(fā)生器，進(jìn)而通過一個(gè)齒輪箱驅(qū)動(dòng)前部的CROR；第二種，由主動(dòng)變槳距定子組成第二排槳扇葉片，充當(dāng)整流葉片，這種設(shè)計(jì)提高了整個(gè)開式轉(zhuǎn)子的壓比，同時(shí)還降低了轉(zhuǎn)子的負(fù)荷（前一種方案需要驅(qū)動(dòng)2排開式轉(zhuǎn)子葉片，而這種方案只需要驅(qū)動(dòng)1排開式轉(zhuǎn)子葉片，后面一排是定子葉片），從而可以實(shí)現(xiàn)更高的飛行馬赫數(shù)。在這種構(gòu)型下，由一級(jí)高速動(dòng)力渦輪通過1根低壓軸驅(qū)動(dòng)前部的行星齒輪，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)開式轉(zhuǎn)子。2021年6月，GE公司和賽峰集團(tuán)聯(lián)合推出的開放式風(fēng)扇架構(gòu)概念事實(shí)上就是上述第二種齒輪傳動(dòng)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的延續(xù)。MTU公司MTU公司從21世紀(jì)初開始啟動(dòng)潔凈航空發(fā)動(dòng)機(jī)（CLAIRE）計(jì)劃。該計(jì)劃分為3個(gè)階段（2007—2050），是MTU公司經(jīng)濟(jì)高效發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路線圖，也是MTU公司應(yīng)對(duì)世界碳中和發(fā)展趨勢(shì)的動(dòng)力解決方案的一部分。MTU公司CLAIRE計(jì)劃CLAIRE1（第一代GTF）是早已投入市場(chǎng)的普惠公司PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)耗油率比基線發(fā)動(dòng)機(jī)V2500降低15％的目標(biāo)。MTU公司為PW1000G提供4級(jí)高壓壓氣機(jī)和3級(jí)低壓渦輪。從PW8000到PW1000G，MTU公司一直是普惠公司研制GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的合作者，其在歐盟各研究計(jì)劃框架下，對(duì)GTF發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行了研究。CLAIRE2（第二代GTF）將通過提高涵道比和總壓比來提高推進(jìn)效率。到2030年，涵道比從目前PW1000G的12∶1提升到20∶1，發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比從目前的大約50∶1提升到70∶1。此外，除了齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)外，還將依靠其他的動(dòng)力技術(shù)，如對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇技術(shù)（CRTF）、多電技術(shù)等。CLAIRE3（第三代GTF）是針對(duì)2050年及以后的遠(yuǎn)期技術(shù)，開發(fā)全新的革命性推進(jìn)解決方案，采用革命性的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。MTU公司正在開發(fā)兩個(gè)基于試驗(yàn)和驗(yàn)證的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)概念：第一種是復(fù)合循環(huán)（compositecycle）發(fā)動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓系統(tǒng)保留，但傳統(tǒng)的高壓系統(tǒng)（核心機(jī)）由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)來代替，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)位于風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)之間；第二種是水增強(qiáng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（water-enhancedturbofan），將蒸汽動(dòng)力過程集成到燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中。齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇和活塞核心機(jī)的復(fù)合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意結(jié)束語(yǔ)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)儼然已成為普惠公司、GE公司、羅羅公司、賽峰集團(tuán)、MTU公司等幾家發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的下一代大推力渦扇和開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)不約而同的結(jié)構(gòu)選擇，這不是偶然而是必然的發(fā)展趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)更高的效率、更低的排放和噪聲，無論是有涵道的發(fā)動(dòng)機(jī)還是無涵道的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高涵道比是其必然的選擇，而涵道比越高，越不能采用直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇/槳扇結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹辣仍礁?，越難實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇/槳扇和低壓渦輪最佳轉(zhuǎn)速之間的平衡。為了實(shí)現(xiàn)這種平