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如果用一个词概括罗尔斯·罗伊斯(罗罗)公司现役大型航空发动机的特点,那一定是:“三轴”。的确,这个在航空业独树一帜的大型发动机结构,奠定了罗罗公司数十年来成功的基础,罗罗公司对此更是深信不疑。但如果要概括十年后罗罗公司大型航空发动机的特点时,这个词则是:“齿轮”。

罗罗公司公布了未来十年发动机的设计蓝图,对其技术路线和发展规划做了简要阐释,首次明确提出在其大型商用发动机上使用齿轮传动技术,并计划采取“两步走”的战略完成技术过渡。

“三轴”的生命力

罗罗的“三轴”发动机技术始于上世纪60年代,并随着RB211发动机的巨大成功得以巩固,在商用发动机市场的竞争中成为一支举足轻重的力量。目前,GE公司和普惠公司研发的现役大型航空发动机均采用“双轴”设计,发动机中的风扇、低压压气机和低压涡轮通过轴连接组成低压系统,高压压气机和高压涡轮通过另一根轴连接组成高压系统。而“三轴”设计增加了由中压压气机和中压涡轮组成的中压系统,发动机风扇直接由低压涡轮驱动。

在“三轴”系统中,三个互相独立的转动轴各成一体,使得压气机和涡轮能在更接近于最佳条件下工作,从而提高发动机效率、减少压气机与涡轮级数。各轴的转速还可根据需要相对独立地调节,扩大了稳定工作范围。

由于采用“三轴”设计,罗罗发动机上的很多改进项目,都能较容易地应用在各种型号上。这种边用边改的方法可以使用户以最经济的代价逐步提升其发动机性能。

这种结构布局还使发动机在较低的涡轮进口温度下能达到较高的推力,因此发动机的热端部件寿命更长,降低维护费用。此外,发动机单元体设计可以进一步降低维修的难度。

在遄达发动机此前的改进过程中,罗罗往往是通过增加中压系统的工作负荷来提升发动机能力。而在罗罗“两步走”战略的第一阶段中,新型Advance发动机突破常规,减轻了中压系统的工作负荷,让高压系统承担更大负载。相比目前最先进的遄达XWB发动机,Advance发动机的高压系统将采用10级高压压气机和2级高压涡轮,而非目前的1级高压涡轮。同时,中压压气机的级数将从现有遄达XWB的8级缩减为4级左右,而中压涡轮的级数将从2级缩减为1级。

Advance发动机-罗罗发动机计划采用碳纤维和陶瓷基材料

新配置与未来的UltraFan发动机具有了巨大的相通性,这是一种能够适应未来需求的结构。此外,罗罗还计划在Advance发动机上首次采用重量更轻的复合材料碳/钛合金风扇叶片、复合材料机匣和轻量化的低压涡轮系统。

沿用“三轴”设计的Advance发动机预计可以在2020年前后投入使用,其涵道比高达11:1,总压比超过60:1,燃油效率比第一代遄达发动机至少高20%。

齿轮的“使命”

事实上,罗·罗并不是第一个将齿轮传动技术应用到大型航空发动机的公司。早在2008年,普惠公司在当年的范堡罗航展上宣布为新一代单通道飞机研制齿轮传动发动机。目前,首款采用齿轮传动发动机的庞巴迪C系列飞机已经完成首飞,正在进行最后的适航验证冲刺;普惠齿轮传动发动机中最重要的机型——空客A320NEO已于2014年9月25日顺利完成首飞。

相比竞争对手,罗罗为何计划在10年后才使用齿轮传动技术?相比于传统的两轴发动机结构,三轴发动机的独特适应性,使得罗罗发动机在高达11:1的涵道比时依然具有极高的效率,这一点在传统两轴发动机上难以实现。

即使是采用三轴设计,罗·罗依然没有到达变速箱的重量和复杂性超越低速、低效组件的重量和复杂性的临界点。这主要是因为罗·罗的风扇转子上没有低压压气机。相反,罗·罗配备了可以自行优化转速的中压压气机。因而直到今天,对三轴结构来说,齿轮技术并不是必需的。

在齿轮传动领域,罗·罗的技术积累不可小觑。目前,已经投入使用的美国第5代战机F-35B的升力风扇,采用了罗·罗的齿轮传动技术。罗·罗拥有先进的大功率齿轮传动技术,F-35B升力风扇的推力高达29000磅,而且效率极高。

为了应对更大功率齿轮箱研发的挑战,罗·罗斥资8700万美元在德国建设了UltraFan发动机齿轮箱测试平台。尽管承认UltraFan发动机的齿轮将是一种星形齿轮装置,但罗·罗并没有明确包括齿轮比在内的技术细节。

通过引入齿轮系统,UltraFan发动机将完全取消现有低压涡轮,这也意味着罗·罗发动机不再是真正的三轴结构,而是“两轴半”配置。罗·罗关于齿轮箱和相关滑油系统的测试将一直进行到2015年年底。

“第一次就做对”

根据罗·罗公布的设计蓝图,未来发动机的主要技术亮点包括:采用CTi碳纤维钛合金风扇叶片、复合材料机匣,陶瓷基复合材料(CMC),齿轮传动技术和新型贫油燃烧系统等。然而,这些技术在竞争对手的产品介绍中同样存在,而且相当一部分技术将先于罗·罗投入市场。

罗·罗信奉“第一次就做对”的宗旨。新材料的应用可能影响产品可靠性和交付时间,市场此前已经有了先例和教训。尽管罗罗认为其空心钛风扇叶片仍然具有竞争力,但随着风扇直径的日益增大和材料经济性不断提升,是时候使用复合材料风扇了。

UltraFan发动机还将采用可变距叶片技术,新型超薄短舱设计等全新技术。由于风扇可以在所有飞行阶段改变节距,短舱内将不会设置反推力装置。UltraFan发动机中压涡轮的旋转部件将采用钛铝合金材料,而燃烧室喷嘴等静止部件将采用陶瓷基复合材料(CMC)。

罗·罗正在研究诸如“叶环”和“间冷”等“更具长期性和前瞻性”的技术。整体叶环技术(bling,装有叶片的环)是现有叶盘技术(blisk,装有叶片的圆盘)的演变,更轻且更加坚固。间冷技术是指通过冷却压气机中气流的温度,减少压气机加压所需的能量,满足高总压比要求,进而提高发动机热效率,并降低氮氧化物排放。作为欧洲“新型航空发动机核心机”(Newac)项目的一部分,罗罗已经对基础的“间冷”空气系统进行了测试。

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