漫談商用渦扇發動機
漫談商用渦扇發動機
如今固定翼飛機所用的航空發動機，基本已經是渦扇的天下。“慢！中國前段時間剛剛定型的‘昆侖’不就是渦噴嗎？”看官您先别急，“昆侖”性能是不錯，或者說是如今渦噴發動機的極緻（推重比能做到8的渦噴委實不易），可是畢竟出發點是改進中國的殲7、殲8，只能算是一個個例甚至是中國航空工業的一種無奈，如今的主流仍然是渦扇。
對渦扇來說，軍用戰鬥機和運輸機以及商用客機走上了兩條不同的道路。軍用戰鬥機要求發動機推重比高，總量輕，迎風面積要小，而且一般要求能超音速飛行，所以走的是小涵道比的路子。而對商用客機而言，對機動性能以及加速性能并沒有很高的要求。想想也是，誰也受不了坐飛機要橫滾、垂直爬升、高G轉彎、眼鏡蛇機動……估計你下了飛機多半這輩子都不要再坐飛機了。對客機而言，發動機要求推力大，油耗低，壽命長，噪音低，維護簡單。所以，走的是高涵道比的路子。
關于涵道比，在這裏簡單介紹一下：對于渦扇發動機來說，從進氣口進入發動機的氣流分成兩部分，一部分只是經過風扇增壓，然後從發動機外涵排出産生推力；另外一部分，經過低壓壓氣機、高壓壓氣機進入燃燒室燃燒做功，驅動後面的高壓、低壓渦輪，進而通過渦輪驅動風扇以及壓氣機。而這兩部分的氣流的流量比，就是涵道比。
于是，又有人說了，咱們可以再分一級嘛，把風扇和低壓壓氣機分開，讓他們各自管各自的，這樣不是效率就高了嗎？是的，這就是三轉子的結構。
所謂三轉子就是在二轉子發動機上又了多了一級風扇轉子。這樣風扇、高壓壓氣機和低壓壓氣機都自成一個轉子，各自都有各自的轉速。三個轉子之間沒有相對固定的機械聯接。如此一來，風扇和低壓轉子就不用相互的将就行事，而是可以各自在最爲合适的轉速上運轉。設計師們就可以相對自由的來設計發動機風扇轉速、風扇直徑以及函道比。而低壓壓氣機的轉速也可以不受風扇的肘制，低壓壓氣機的轉速提高之後壓氣的效率提高、級數減少、重量減輕，發動機的長度又可以進一步縮小。
最喜歡這樣結構的，是英國的老牌發動機公司:Rolls-Royce.對大多數人而言，他的另外一個名字，另外一個産品更加如雷貫耳，那就是勞斯萊斯。羅羅公司基本上所有的渦扇發動機用的都是三轉子結構。
但是，還是那句老話：天下沒有白吃的午餐。三轉子固然有上述優點，但和雙轉子發動機相比，三轉子結構的發動機的結構進一步變的複雜。三轉子發動機有三個相互套在一起的共軸轉子，因而所需要的軸承支點幾乎比雙轉子結構的發動機多了一倍，而且支撐結構也更加的複雜，軸承的潤滑和壓氣機之間的密閉也更困難。
說道這裏，想起另外一件事情，前兩年美國一大牌發動機公司年終頒獎，最佳年度成就獎給了公司研究合金的一老兄。這老兄确實也有兩把刷子，他研究的合金可以在減重50％的條件下還能使發動機的驅動軸達到原來的強度和扭曲裕度。頒獎的時候宣布這個消息大家都非常震驚，一半的人是因爲這合金确實非常牛，而另外一般，則都是被吓的，因爲得知驅動軸工作的時候居然扭曲了那麽多，坐飛機的時候，心有戚戚焉
雖是題外話，卻從中可以看出驅動軸的不易，想想也是，長達4米左右，還要承受每分鍾幾千甚至上萬轉的高轉速，又是高溫，傳遞的功率高達上萬千瓦，這确實挑戰非常之大，你還要軸套軸再套軸，這實在是太太太困難了。所以，世界上目前的渦扇發動機，只有英國的羅羅用的是三轉子，其它如普惠。GE都是雙轉子結構。
寫道這，諸位看官要問了，那有沒有更好的辦法呢？答案當然是肯定的，那就是齒輪驅動技術。挺起來好像挺玄乎，其實原理很簡單：你不是不想增加一根軸來使風扇和低壓機錯開麽？那我在前面加個減速齒輪箱不就完了嗎？這樣一來，調節不同的齒輪減速比，就可以很方便的使風扇和低壓壓氣機分别工作在各自效率最高的轉速。
想法是非常好，但是從普惠70年代提出齒輪驅動的概念一直到90年代開始論證，估計要到2010年第一種實用的齒輪驅動渦扇發動機——PW8000才能投入使用，難點就是齒輪減速系統。一是轉速要高，雖然是要把速度減下來，但是還是有每分鍾數千轉，那可不是驅動一個輪胎，驅動的可是一個直徑兩米的大家夥。二是總量要輕，雖然高功率減速齒輪系統幾十年前就成熟，但是畢竟不能拿到發動機上，要不然，飛機能不能飛起來還是問題，再說了，發動機也沒那麽大地方擱去。三是傳遞功率要大，以PW8000爲例，其減速齒輪額定功率23800千瓦，也就是32300馬力，這麽大的功率，要求可靠工作，實在不易。
還好，這個世界上有德國人，天生的機械天才。于是普惠和德國的MTU以及意大利的菲亞特（多些意大利的浪漫來化解德國人的死板？）勾搭在一起，朝着齒輪驅動這個方向猛攻。之前MTU和菲亞特合作ADP (advanced ducted propulsor)，就研究高功率的齒輪驅動系統，後來ADP取消了，研究成果正好用在了PW8000身上。
PW8000發動機的齒輪箱是一個行星系統，具有結構緊湊、質量輕、熱負荷較低（比預計的低50％）等特點。在此結構中，低壓轉子進口軸和太陽齒輪驅動5個小行星齒輪，行星齒輪在軸頸軸承上轉動,并驅動環形齒輪，環形齒輪再驅動風扇軸。其齒輪箱環形齒輪質量爲220kg，直徑爲0.4318m（17in），減速比爲3：1，額定功率爲23800kW(32300shp)，效率高達99%。
PW8000發動機的齒輪箱系統在潤滑、冷卻系統、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械方面）進行了設計革新。潤滑和冷卻系統的改進主要來自于"齒輪箱中80%的發熱實際上都來自渦流的形成，而不是潤滑"這一研究結果。改進設計的新潤滑系統将滑油循環出齒輪的速度提高了1倍，滑油只傳輸到齒輪箱内真正需要潤滑的區域，然後盡快循環出齒輪箱，高效地排出熱量，防止熱負荷的堆積。對軸承系統進行了重新設計，實現了真正的自對準。齒輪箱中軸頸軸承取得的最大改進得益于采用電子機械分子塗層工藝，大大加強了軸頸軸承所用的不同材料的粘結效果。設計了1個特殊的真空膜盒（波紋管），将齒輪箱與發動機其餘部分隔開，使齒輪箱不受發動機工作時産生的撓曲損傷。減速齒輪箱采用了"自定中心"的技術，消除了齒輪錯位和應力。
這樣一來，PW8000的涵道比可以高達11.1，而且油耗更低，據普惠宣稱，一架載客120人左右的支線客機，如果選用PW8000，一年可以節省60萬美元，這是相當客觀的，尤其是在航空業競争激烈的今天。
展望未來，随着材料和加工工藝的進步，會有推重比更大，油耗更低，噪聲更小的發動機出現，那時，乘坐飛機也許不再是一件痛苦的事情.
