【长知识】齿轮传动涡轮风扇(GTF）发动机先进技术综述
导读：齿轮传动涡轮风扇（GTF）发动机采用的1套齿轮减速机构，在保证低压涡轮高速旋转的同时，能使风扇以理想的低速旋转，从而降低了发动机的噪声与油耗。概括性地介绍和分析了PW公司GTF发动机的研制背景、设计特点与采用的新技术。
当前，在大推力(大于70.00kN)高涵道比涡扇发动机中，风扇均由低压涡轮直接驱动；一般在风扇转子后还装有3～5级增压压气机（有时也称低压压气机），以增加发动机的总压比及内涵的空气流量。
但这种设计存在先天的缺点，即增压压气机、低压涡轮均未在它们的最佳转速下工作，使得发动机级数增多，这是因为高涵道比涡轮风扇发动机的风扇直径很大，受叶尖切线速度限制，风扇转子只能工作于较低转速下。由于风扇(加上增压压气机)是由低压涡轮直接驱动的，增压压气机、低压涡轮的转速大大低于它们的最佳工作转速；为达到发动机总体设计要求，只得增加增压压气机及低压涡轮的级数。
在3转子发动机中，风扇、中压压气机和高压压气机均在最佳转速下工作，因而其级数比双转子发动机的少。如果在双转子发动机的低压涡轮、增压压气机与风扇间装1个减速器，首先使前二者能在最佳转速下工作，然后通过减速器将转速降低到风扇的最佳转速来驱动风扇工作，这样，3个部件均工作于最佳转速下，自然可使级数减少。
齿轮传动涡轮风扇发动机（GTF）虽然与3转子发动机概念不同，但它是可同样解决压气机和风扇转速上矛盾的新概念涡轮风扇发动机。目前，PW公司已在GTF发动机研发中生产出验证发动机（小编注：目前普惠的GTF发动机已经实际运营了一年多，订单也超过了8000台）。GTF发动机采用了1套齿轮机构，在保证低压涡轮高速旋转的同时，能使风扇以理想的低速旋转，不但降低了发动机的噪声，也降低了发动机的油耗。
本文概括性地介绍和分析了PW公司最新研发的GTF发动机所采用的新技术。
2 研究和发展现状
2007年，PW公司开始对GTF发动机（如图1所示）的验证发动机（全尺寸推力为136kN）进行地面试验，这是该公司十多年来在商用发动机上的最大赌注；2008年，开始对验证发动机进行飞行试验。PW公司将GTF发动机称为“清洁动力PW1000G系列发动机”，涵盖的推力级别为63～104kN；在尺寸上适用要求推力为62～134kN的新飞机，包括从低端的三菱支线喷气（MRJ）飞机到最高端的空客和波音公司的下一代单通道飞机。俄罗斯MC-21飞机、庞巴迪的C系列飞机和三菱的支线喷气飞机已经选择了GTF发动机作为其动力装置；PW公司还将GTF发动机作为空客和波音下一代单通客机驱动发动机来竞争。
图1 GTF发动机结构简介
在过去20年中，PW公司在GTF发动机的研究和发展上已花费了100亿美元，目前每年的运营开销为1亿美元。随着庞巴迪C系列飞机和三菱支线喷气飞机于2008年按计划启动，PW公司在GTF发动机研制上的经费投入必然迅速增长。
在美国佛罗里达州、PW公司西棕榈海滩的测试场开始地面测试的GTF发动机的验证机如图2、3所示。验证发动机进行了100h地面测试，所储备的关键技术为2008年启动的生产型研制奠定了技术基础。
完成地面测试后，GTF验证发动机在PW公司的波音747空中试验台上进行了100h飞行测试。在不同的飞行条件(包括失重和风车状态)，以及不同的机动载荷和偏转条件下，对风扇驱动系统和热管理系统进行了测试。预计2011年取证（小编注：最后是在2014年获得FAA认证），2012年进行飞行测试；2013年，PW公司GTF发动机将作为三菱支线喷气（MRJ）飞机和庞巴迪C系列飞机的唯一动力装置投入使用。
预期在2015年，最早的新型单通客机将投放市场，其所选发动机应是先进涡轮风扇发动机或齿轮传动涡轮风扇发动机。
由上述已知，PW公司正在研发的GTF发动机基于2个尺寸的先进核心机。三菱支线喷气飞机（MRJ）发动机的推力约为63～77kN，而庞巴迪C系列飞机发动机的额定推力约为77～104kN。PW公司计划将更大推力的核心机用于驱动下一代单通道客机。
为了降低GTF发动机研发的成本和风险，PW公司在该项目上采取了合作模式。核心机采用了PW6000涡扇发动机；Avio公司负责风扇驱动齿轮系统的研制，MTU公司（德国墨尼黑发动机和涡轮联合有限公司）负责高速低压涡轮的研制，VolvoAero公司（沃尔沃航空公司）负责涡轮排气机匣的研制，Goodrich公司（古德里奇公司）负责细长型引擎舱的研制，等等。
3 先进技术
3.1原理和结构
GTF发动机的原理比较简单，就是在双轴涡扇发动机的低压涡轮及增压压气机和风扇之间加入1个齿轮减速器，以使风扇和低压涡轮及增压压气机都可在各自最有效的转速下工作，从而达到发动机最优化设计的目的。驱动风扇的减速器可使风扇独立于低压压气机和涡轮而运行，发动机低压涡轮和风扇轴之间的齿轮传动系统必须采用柔性联接。
GTF发动机并不是新概念发动机。在Honeywell（霍尼威尔）的TFE731商务喷气飞机发动机和LF507支线喷气飞机发动机上已具有了齿轮传动涡轮风扇。但该发动机作为齿轮传动涡轮风扇发动机，能够产生更大推力；而驱动齿轮系统就要传递更大的动力，还要具有低质量和高可靠性。
驱动风扇的减速器由下列主要构件组成：1个由发动机低压涡轮驱动的中心齿轮，5个星型齿轮，1个与风扇联接的外环齿轮（如图4所示）。
3.2 先进技术
3.2.1 涵道比
增加涵道比（BPR）可提高推进效率。当今驱动窄体客机的发动机涵道比一般为5～6，而驱动波音787的新型发动机涵道比为10～11。增加风扇直径可以提高涵道比，但风扇的转速必须降低，以保持叶尖速度，从而使损失和噪声最小。GTF发动机的涵道比达到了10～12，为用于空客A320和波音737飞机的CFM56与V2500发动机的2倍左右。涵道比的增大使其油耗比目前涡扇发动机的降低12％。
3.2.2 风扇转速和噪声
叶片机械（风扇、压气机与涡轮）是用叶尖切线速度u表征其特点的，只要叶片（特别是榫根）强度足够，u越大越好，因为叶片对空气作功（压气机、风扇）或气流对叶片作功（涡轮）的能力是与u2成正比的。在u值一定的情况下，风扇直径大，其转速必定小，而涡轮则是在高转速时工作状态更好。如果不使用齿轮传动，更大更慢的风扇则要求更大更重的低压涡轮去驱动。非齿轮传动涡轮风扇发动机的转速选为风扇和低压涡轮最佳工作转速之间的1个折衷的转速，使得风扇和低压涡轮都不能在最佳工作转速下工作。
在GTF发动机中将不存在上述问题。风扇由减速器驱动，从而使风扇与低压涡轮及低压压气机均可在适合的转速下工作。为了降低风扇噪声，该发动机的风扇并未工作于最恰当的叶尖切线速度下，而是采用了低的叶尖切线速度，u=324m/s(PW4084发动机，u=413.3m/s；TRENT800发动机，u=478.4m/s；GE90发动机，u=376.3m/s),此速度较低，对减小噪声有利，但在叶尖处对空气的作功不利。为此，PW公司采用先进的计算流体动力学CFD，对叶尖进行了处理，使其具有较先进的性能。
3.2.3 质量
标准型非齿轮传动发动机有22～24片叶片，而GTF验证发动机只有18片后掠式风扇叶片，这样，后者风扇系统的质量减轻了；一般标准的发动机具有3500片低压压气机和低压涡轮叶片，而GTF发动机仅有约2000片，可与增加的减速器的质量相抵消；GTF发动机风扇叶片作成双弧形、无中间凸肩且空心的结构，质量轻且气动性能好。
因此，与相应的非齿轮传动发动机相比，GTF发动机的维护成本预计可节省40%。
3.2.4 其他先进技术
在GTF发动机中，PW公司还融入了其他先进技术（如图5所示）。
PW公司在GTF发动机研制中采用其他先进技术如下。
（1）富油-快冷速混-贫油(RQL)TALON燃烧室，具有先进的燃油/空气喷嘴和混合器，融合了金属衬壁（浮壁）和冷却控制技术，以使在起飞、高海拔巡航和着陆时，该发动机氮氧化物排放很低；
（2）与NASA正在合作研发的最新“TALONX”型燃烧室。经验证，“TALONX”型燃烧室排放极低，并在高/低海拔条件下可平稳点火，具有极高的可靠性；
（3）高压压气机具有结构紧凑的特点，采用了整体叶盘与悬臂式的静子叶片结构；
（4）高压涡轮应用了先进的气体动力学、先进的冷却控制和密封技术；
（5）轻型材料和复合材料风扇叶片；
（6）新型热防护涂料，可以显著提高发动机的耐久性，并延长其在役飞行时间。
在GTF发动机研制中，PW公司的合作伙伴也应用了不少新的先进技术，例如：负责生产低压涡轮的MTU公司采用了欧洲[CLEAN（Component Validatorfor Environmentally-friendly Aero-Engine)]环境友好发动机部件的有效性技术验证研究项目的技术，使低压涡轮仅有3级，而输出功率与之相似的V2500发动机的为5级；其设计特点为：切剪过的叶冠，质量较轻的钛铝叶片，叶根到叶尖之间的截面积增加，从而进行了减根设计。图6为GTF发动机低压涡轮单元体。
3.2.5 减速器关键技术
作为齿轮传动系统，GTF发动机减速器原理简单，概念也不新。其关键技术是其设计参数的确定。设计参数的确定涉及传动齿轮的材料、齿型、公差、磨损容许量、设计极限，以及整个减速器的性能极限、效率目标和耐久性等，而且，低压转子和风扇之间的减速器必须采用柔性联接。
对于选定的减速器设计参数，要进行大量的实验和验证，要有专门的齿轮系统试验设备，试验设备要具有模拟飞行状态和运行特性的能力。实验和验证的种类多、时间长，这也解释了为什么PW公司在GTF发动机的研发上那么费时费钱。
高速、大功率减速器是GTF发动机研制成败的关键。由于具有很多高速大负荷齿轮与轴承，其工作条件恶劣，零件数多，很难保证高的工作可靠性。
4 结束语
PW公司早在20世纪90年代初就宣布研制齿轮传动涡扇发动机PW8000，还广为宣传已在高速大功率减速器研制上取得突破性的成就[4]。但在随后几年中，很少提及PW8000发动机的研制情况。根据现在公布的资料看，GTF发动机实际上就是PW8000发动机的改进型。
2008年，美国PW公司将GTF发动机改称为了“清洁动力（PurePowerTM）PW1000G系列发动机”。本文概括性介绍了新型GTF发动机的结构和应用的部分先进技术，可供中国航空发动机研究人员借鉴。
（作者：李杰：西安航空发动机（集团）有限公司，西安710021）
来源：航空发动机，2009年 第35卷 第4期
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艾伯斯坦博士负责普惠公司技术发展的方向并协调技术在产品性能及环境影响方面的应用。艾伯斯坦博士同时还对技术方面的投资、发展及应用提供战略性指导，帮助普惠减少全球产品及服务对环境的影响。
艾伯斯坦博士加入普惠公司之前，是麻省理工学院航空航天学“麦克劳伦”特级教授，现在为该院名誉教授。
艾伯斯坦博士多次荣获燃气涡轮技术国际大奖。他是美国工程院士，也是美国航空航天学会和美国机械工程师协会成员。他拥有痲省理工学院航空航天学学士、硕士及博士学位。
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