RR公司3转子民用发动机技术发展思路

徐 雪，张德志，黄爱华

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.成都航空职业技术学院，成都610100）

RR公司3转子民用发动机技术发展思路

徐 雪1，张德志1，黄爱华2

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.成都航空职业技术学院，成都610100）

为了探寻RR公司在民用航空发动机领域中的技术和产品发展思路，对该公司3转子民用发动机产品的发展历程和市场情况以及发展的外部条件进行了简要回顾分析。介绍了RR公司3转子发动机的总体布局方案，并通过对波音787客机所使用的典型3转子发动机与双转子发动机的对比，分析了3转子布局技术特点。归纳总结出RR公司3转子民用发动机的技术发展思路的特点：大胆尝试、紧扣市场、低压部件与核心机协调发展和应用缩放技术。

3转子民用发动机；涡扇发动机；罗罗公司；技术发展思路

0 引言

英国的Rolls-Royce公司（以下简称RR公司）作为1家百余年历史的跨国公司，在世界航空发动机领域占据着重要1席之地[1]。3转子民用大涵道比涡扇发动机（以下简称3转子民机）及其衍生产品是该公司的支柱产品，不仅在技术上独树一帜，而且占有巨大市场。RR公司也凭借3转子布局的独特技术优势，走出了1条稳健的技术和产品发展道路，在有限的支持下实现了在该领域内由弱到强的快速发展。

国内对于RR公司这种发展方式的关注随着RB211系列和Trent系列发动机进入中国市场就已经开始，本文从技术特点和产品发展2个角度结合分析，以期更全面了解RR公司的技术发展思路。

1 主要产品线和研制历程

RR公司对于3转子总体布局的探索始于20世纪60年代的“Trent”3转子技术验证机；在70年代初开始研制RB211系列发动机，包括3个子系列-22、-524和-535；在80年代末开始研制Trent系列发动机，最初是RB211-524系列的1个发展型（开始命名为RB211-524L），后由于改动较大而重新命名，回归到技术验证机的名称，共有6个子系列，按照时间顺序为 700、800、500、900、1000 和 -XWB。上述产品的基本情况见表1，Trent系列发动机的的主要市场情况见表2。

除航空发动机外，RR公司还利用RB211系列和Trent系列发动机的成熟核心机衍生发展了RB211和Trent60等工业燃气轮机以及WR21和MT30等舰船燃气轮机[2]，也达到了很高的技术水平并取得了商业成功，例如：MT30燃气轮机目前广泛应用于西方新一代战舰，Trent60燃气轮机则是世界上不使用间冷回热改造的航改燃气轮机中功率等级最高的产品。上述产品的发展历程如图1所示。

表1 3转子民用涡扇发动机的基本参数和改进

表2 Trent系列发动机的市场份额[4]

图1 RR 公司基于3转子技术的产品线

2 3转子布局的技术特点

3转子布局的基本思想是：采用3个机械上独立旋转的转子，使发动机中每个叶片机部件均在各自最合适的转速下工作，从而提高效率、充分发挥作功能力。目前在RR公司之外采用3转子结构布局的厂商还有乌克兰的伊夫琴科-进步设计局，其代表产品为D-18系列和D-36系列大涵道比涡扇发动机。2家单位的3转子基本布局一致，但具体结构差异很大。

2.1 总体布局简介

以Trent500发动机为例，整个发动机由单级风扇、8级中压压气机、6级高压压气机、短环形主燃烧室、单级中压涡轮、单级低压涡轮、6级低压涡轮以及相应的支承机匣、附件传动系统、传动润滑系统、控制系统和安装结构等组成。典型的RR公司3转子总体结构布局如图2所示。

图2 典型的RR公司3转子总体结构布局[3]

整个发动机由8个单元体构成，分别为：风扇转子、风扇机匣、中压压气机、中介机匣、高压转子（包括高压压气机、燃烧室和高压涡轮）、中压涡轮（包括高/中压涡轮间承力机匣）、低压涡轮（包括涡轮后机匣）、附件机匣的单元体。典型的RR公司转子单元体划分如图3所示。

由于采用了3个独立的转子，3转子结构布局的转子支承、载荷传递、联轴器、支点润滑和空气系统等方面都比双转子布局复杂许多。以Trent1000和GEnx-1B发动机为例，二者均配装波音787飞机，推力量级、外廓尺寸、燃油经济性和寿命等关键指标基本一致，其转子支承形式的对比如图4所示。

图3 典型的RR公司3转子单元体划分[5]

图4 Trent1000与GEnx-1B发动机转子支承形式对比

（1）Trent1000发动机采用4个承力机匣和8个转子支点，高、中、低压转子的支撑形式分别为1-0-1、1-2-0和0-2-1，而且在中、低压转子之间采用1个中介球轴承传递轴向载荷[6]；

（2）GEnx-1B 发动机采用3个承力机匣和5个转子支点，高、低压转子的支撑形式分别为1-0-1和0-2-1[7]。

2.2 3转子布局的技术优势

迥然不同的结构为3转子布局带来了许多独特的技术优势，体现在如下2个方面。

2.2.1 气动性能方面

以Trent500推力级别的3转子发动机为例，3个转子的转速分别约为3000（低压）、8000（中压）和13000 r/min（高压），在这种转速下中压压气机的平均线速度和作功能力与高压压气机的基本相当。因此由中压部件、高压部件和主燃烧室构成的双转子核心机在压缩能力上比通常的单转子核心机更具优势。仍以Trent1000和GEnx发动机的对比为例：Trent1000发动机的核心机总级数为14级，总压比约为32.5，平均级压比为1.282；而GEnx发动机的核心机总级数为10级，总压比为23.0，平均级压比1.368。可见3转子布局可以降低核心机压缩部件的气动设计难度，提高其增压和作功能力。

尽管在双转子大涵道比涡扇发动机中，通常设计有由低压转子带动的增压压气机来提高核心气流的流量和压比，但由于受低压转子转速的制约，增压压气机的线速度远低于高压压气机的，限制了增压级的压缩能力，所以3转子布局发动机的总压比也有优势。

同时，由于3转子的中压和高压压气机的平均线速度相当，中压压气机和高压压气机之间的压比分配就可以根据中压和高压涡轮的负荷情况进行调节二者间的压比分配就可以根据中压和高压涡轮的负荷情况进行调节，这使得高压和中压涡轮设计上具有更大的自由度，使其可以采用更加简单的单级设计同时保证高效；相比之下双转子布局受增压级压缩能力的限制，核心机气流的压比更多的分配在高压压气机上核心机气流的压比更多地分配在高压压气机上，导致了高压压气机负荷重设计难度大，同时还必须采用复杂且沉重的双级高压涡轮。

2.2.2 结构布局方面

3转子总体结构布局比双转子的更加复杂，但是这种复杂并非只有缺点，具体表现在：

（1）3转子布局可以使每个大部件都相对简单而紧凑，这不仅使整机质量更轻、尺寸更小，也使单个部件的缩放设计和技术升级更为简单；

（2）由于低压转子不带增压级，使得3发动机的低压转子结构较双转子发动机的低压转子更为简单转子发动机的低压转子结构比双转子发动机的更为简单，这也就方便了便于以其为基础的航改燃气轮机的设计（如图5、6所示[8]）。

图5 Trent800与MT30发动机的总体结构对比

图6 Trent800与Trent60发动机的总体结构对比

总结气动和结构2方面特点可见，3转子布局的最大的技术特点是提高结构复杂性以降低气动设计难度及提高气动性能。

3 RR公司技术发展思路分析

RR公司的2个3转子民机产品系列在总体布局上一脉相承，只是在部件级数、流量等具体参数上略有差别。在过去的近40年时间里，RR公司仅使用同一总体布局，通过不断提高部件的技术水平和能力，就使其产品的总压比从约25提高到50，涵道比由4.3提高到11，产品推力级别从160 kN级到450 kN以上级。通过对其发展历程的梳理和分析可知其发展思路有如下4个特点。

（1）大胆尝试，坚持选择

对于3转子技术的探索是RR公司根据自身特点，在20世纪60年代开始进行的1次扬长避短的大胆尝试。RR公司在汽车制造和活塞式发动机制造等领域有着丰富的经验，奠定了该公司在机械制造方面的深厚底蕴，这是该公司选择3转子技术，以结构复杂性换取气动性能的前提。

在“Trent”验证机取得成功之后，RR公司在大涵道比民机这个适合于3转子的领域一直坚持选择，迅速地将其应用到型号研发中形成RB211-22系列发动机。当RB211-22系列发动机逐渐成熟后，又不断地通过部件升级改进、衍生发展，形成了-524和-535子系列以及后来的“Trent”系列发动机。

（2）紧扣市场，小步快跑

RR公司3转子民机的目标市场是远程干线客机，其中包括双发双通道远程干线客机和4发超巨型客机2个级别。根据波音公司2010年的市场预测报告，在未来20年中，双发双通道远程干线客机（如波音787和空客A350XWB）和4发超巨型客机（如波音747-8和空客A380）将分别占未来民用飞机市场总价值的45%和6%[9]，由此带来其配套发动机的巨大市场。尤其是前者所需发动机更是3大发动机生产商不遗余力争夺的技术与市场的制高点。因为远程双发飞机不仅对于巡航燃油经济性和推力有着严格要求，还要达到“双发客机单发延程飞行330min”（ETOPS 330）这样苛刻的要求；因此，这一级别产品的附加值高，市场门槛也很高。而且一旦产品占领这个级别的市场，就可以很容易由该产品衍生出推力较小的发动机去占领4发超大型市场，例如Trent500发动机配装空客A340-500/600客机和GEnx-2B发动机配装波音747-8客机。

由此可见，RR公司3转子大涡扇发动机瞄准的是少而精的高端市场，而这个市场对于产品的技术要求更有利于发挥3转子布局在高总压比、高涵道比（核心机作功能力高）以及部件的缩放设计等方面的优势。

航空发动机是公认的高技术、高投入和长周期领域，新机的研发需要公司和国家长期高强度的投资。RR公司虽然是涡喷和涡扇发动机的先驱之一，在技术上一直处于领先者和开创者的地位；但是，二战后一直到20世纪六七十年代，该公司经济实力与其主要竞争对手——美国GE公司和PW公司相比有着巨大差距。为了研制RB211-22发动机，RR公司甚至在1971年一度走到破产边缘。同时英国在二战之后也没有充足的财力支持航空发动机产业，因此RR公司不能像美国同行那样通过参与国家资助的研发计划进行新机的技术储备，例如GE公司借助E3计划发展出GE90系列发动机[10]。

因此，RR公司的产品技术发展必须实现“有限目标迅速完成”，每次只快速地迈一小步，提高部分部件的性能。这种“小步快跑”式的发展一方面降低了技术跨度带来的风险，另一方面开发时间短也削弱了市场的不确定性。

（3）“两条腿走路”，协调发展

低压部件和核心机“两条腿交替前行”这条路线贯穿于RR公司3转子民机的整个产品线之中，在“Trent”系列发动机的发展历程中体现得更是淋漓尽致。

从“Trent”系列发动机的第1个型号Trent700发动机诞生开始的主要技术演变（图1）如下：

a.以Trent700发动机的核心机不变，将风扇直径由247.4 cm增加到279.4 cm，相应的涵道比由5提高到6，低压涡轮增加1级，部件效率有所提高，发展出Trent800发动机；

b.以Trent700发动机直径为247.4 cm的风扇基本不变，将Trent800发动机的核心机按0.8倍缩小，并采用新的气动设计技术对核心机重新设计及提高核心机部件效率，使发动机的涵道比由6提高到7.5，发展出Trent500发动机；

c.以Trent800发动机的核心机保持不变，采用新的气动设计技术将Trent800发动机的风扇重新设计，得到尺寸不变流量放大的复合弯掠风扇，从而发展出Trent8104发动机（该发动机在竞争中败给了GE90-115B发动机，因此未完成适航取证）；

d.将Trent8104发动机的复合弯掠风扇直径279.4 cm增加至294.6 cm，将Trent500发动机的核心机放大，并将高、中压转子转向由同转改为反转，进一步提高部件效率，将涵道比提高至9左右，发展出Trent900发动机；

e.以Trent900发动机为基础缩小设计，着重改进低压部件，再增加1级低压涡轮使涵道比达到11左右，调整附件传动方式，发展出Trent1000发动机；

f.以Trent1000发动机为基础放大设计，着重改进核心机，将中压涡轮由1级改为2级，同时优化高、中压压气机的压比分配，提升核心机部件效率，发展出TrentXWB发动机。

这个特点是“小步快跑”式发展的具体体现，这种发展模式不仅使核心机和低压部件协调发展，同时还赋予了RR公司3转子发动机较高的结构继承性，因此，其新研发动机的初始可靠性较高，这一特点既应对了高端市场的市场要求，又是表1中所列几款新型客机首飞时都选择RR公司3转子的重要原因。

（4）缩放设计，量身定制

缩放设计技术在其他发动机公司中也有应用，但应用得如此频繁却不多见。一方面由于RR公司采用3转子结构使其主要部件设计难度比较均衡，尤其是叶片机的级数比较少、负荷都比较小，较易实现单个部件的缩放设计；另一方面，这种缩放设计可以为飞机提供尺寸、推力、质量等指标最适合的发动机。掌握了这项技术，就可以以较低的成本迅速地扩大产品线，占领市场。

RR公司的这种发展模式有别于GE公司和PW公司常用的发展思路，即通过比较长时间的积累拿出新一代发动机或核心机，然后基本保持新机的硬件，采用不同的推力设定来满足不同的客户需求。应该说，RR公司自身条件和市场决定了其发展模式，而且3转子技术在这方面的独特优势也促成了RR公司这种发展模式。

4 总结

RR公司在技术上“扬长避短”，大胆探索并不断发展了独特的3转子结构布局，同时在产品上不断顺应市场并“小步快跑”地扩大产品线，最终获得了迅速发展。这种技术与发展思路虽然植根于RR公司当时的条件与环境，但是也具有一定的借鉴意义，可以起到“他山之石”的作用。

[1]季鹤鸣.航空发动机百年回顾（一）[J].航空发动机，2003，29（1）：56-58.JI Heming.Review of 100 years history of aeroengine[J].Aeroengine，2003，29（1）：56-58.(in Chinese)

[2]梁春华.间冷回热循环舰船用燃气轮机WR-21的技术特点[J].航空发动机，2007，33（1）:55-58，41.LIANG Chunhua.The technical features of WR-21 inter-cooling and exhaust heat recuperation marine gas turbine[J].Aeroengine，2007，33（1）：55-58，41.(in Chinese)

[3]IHS.Jane’s aeroengines:issue 28 [M].London:IHS Jane’s，2010:460-472.

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[6]陈光.遄达1000发动机设计特点 [J].航空发动机，2009，35（4）：1-6.CHEN Guang.The design characters of Trent 1000 engine[J].Aeroengine，2009，35（4）：1-6.(in Chinese)

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[9]Boeing Company.Currentmarket outlook 2010-2029[R/OL].[2010-12-28]，http://www.boeing.com/commercial/cmo

[10]梁春华.现代高涵道比涡扇发动机关键技术[J].国际航空，2005（7）：61-63.LIANG Chunhua.The key technologyies of modern high bypass ratio turbofan engine[J].International Avition，2005（7）：61-63.(in Chinese)

Introduction and Technology Development Thought of Tri-rotor Civil Turbofan Engine for RR Com pany

XU Xue1， ZHANG De-zhi2， HUANG Ai-hua2
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015,China；2.Chengdu Aeronautic Polytechnic Academy,Chengdu 610100,China）

To seek the product and technique route in civil aeroengine field of RR company，the development process,market situation and external condition of RR company tri-rotor civilenginewere reviewed.The tri-rotor civilengine arrangementwere introduced.The technology characteristics of RR tri-rotor civil engine were analyzed by comparing the tri-rotor civil engine of B787 with twin-shaft engine.The characteristics of technology development ideas of RR company tri-rotor civil engine are summarized,which are outdare attempt,closing tomarket,coordinated developmentof low pressure componentand core engine and scaling technology application.

tri-rotor civil engine;turbofan;RR company;technology development thought

V235.13

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.018

2013-05-24

徐雪（1980），男，硕士，工程师，从事航空发动机总体结构设计工作；E-mail:xuxue_nwpu@hotmail.com。

徐雪，张德志，黄爱华.RR公司3转子民用发动机技术发展思路[J].航空发动机，2014,40（3）：85-89.XU Xue，ZHANG Dezhi,HUANG Aihua.Introduction and technology development thought of tri-rotor civil trurbofan engine forRR company[J].Aeroengine，2014,40（3）：85-89.