先进大涵道比涡扇发动机技术发展研究

齐晓雪　唐宇峰　魏宝锋

摘要：本文研究了国外发动机的发展现状和趋势，并对目前较为先进的齿轮传动风扇发动机和双驱动增压级涡扇发动机的原理、技术特点和发展情况进行了探索，为国内发动机的研发提供参考。

关键词：大涵道比涡扇发动机，齿轮传动风扇，双驱动增压级

引言

大涵道比涡扇发动机是民用飞机普遍采用的动力形式，国外通过多年的发展，已经达到了相当的高度。为了提升发动机的性能、环保性和经济性，国外航空公司开展了新型结构形式的大涵道比涡扇发动机技术研究，并取得了一定的进展。

1  国外现状及发展趋势

大涵道比涡扇发动机具有推力大、耗油率低、可靠性高、寿命长，从20世纪70年代开始，正式配装飞机，并成为主要动力，广泛用于民用飞机。经过多年的发展，涵道比已从4提高到了11，总增压比从25提高到接近60，涡轮进口温度从1500K提高到1900K以上。最大推力已超过500kN，巡航耗油率下降到0.55kg/（daN.h）以下。

目前在民机市场的大涵道比涡扇发动机主要有三种构型，分别为常规构型双转子发动机、齿轮传动风扇发动机（GTF发动机）和三转子涡扇发动机。

常规构型双转子发动机结构相对简单，受到风扇尺寸和叶尖切线速度限制了低压轴的转速，使得增压级、低压涡轮的气动设计成为其难点，GE公司凭借自身卓越的气动设计技术水平，以及核心机的设计经验优势，GE90、LEAP-X等常规形式发动机研制处于世界领先地位。

目前常规涡扇发动机技术水平国外已发展到相当的高度，发展的空间已经越来越小。齿轮传动风扇发动机等新构型发动机由于能有效降低噪声和耗油率，将成为后续的发展方向。

2  GTF发动机技术特点和研制进展

GTF发动机通过在风扇和低压压气机之间引入减速齿轮箱，使风扇和低压转子在不同转速进行工作，提高各部件设计水平、提高涵道比、提高推进效率，具有部件级数少、噪声低和耗油率低的特点。

由于GTF发动机与常规大涵道比相比具有显著优势，国外许多航空发动机公司从上世纪70年代就开始了GTF发动机和减速器的研制，其中最为成功的是PW公司。

PW公司投入100多亿美元进行GTF发动机的研发，2008年7月正式推出PW1000G系列GTF发动机。PW1000G^[1]系列发动机由1级风扇、齿轮箱、2级或3级增压级、8级高压压气机、环形燃烧室、2级高压涡轮、3级低压涡轮等组成。PW1000G系列发动机起飞推力范围为6804～15876公斤，目前已经投入运营。

该发动机采用了大量的先进技术，主要包括：高压压气机采用先进的气动设计，新型的整体叶盘，减轻重量的同时提高气动稳定裕度和工作效率。高压涡轮叶片采用高升力设计，叶尖吹气的封严结构，提高了涡轮效率;同时采用新一代单晶材料和热障涂层，显著增加发动机的寿命。低压涡轮采用高升力叶片设计，同时高转速有效地提高效率，减轻重量。采用最新的TALON X燃烧室，减少氮氧化合物的排放^[2][3]。

RR公司也提出计划采用超扇发动机（GTF发动机，UltraFan）作为其后续发展的一部分，以满足未来更高推进效率和热效率的需求。UltraFan发动机目标推力为44500kgf，涵道比为15。2016年10月，RR公司在姿态实验台上首次测试了全球最大功率的齿轮箱，2017年进行高功率试验。

3  双驱动增压级涡扇发动机技术特点及进展

综合考虑常规双转子对核心机的高性能需求，以及GTF发动机减速齿轮箱的设计难度，英国德稳航空技术咨询公司提出了新型发动机结构——双驱动增压级（DDB）涡扇发动机方案。

该发动机将一个行星齿轮系统置于增压级和高压压气机中间，通过齿轮系统同时从高、低压轴提取功率驱动增压级，使得增压级转速在两个轴转速之间。在这种结构中，高、低压转子的同向转动和反向转动都可以考虑，但不同情况齿轮系统的排列不同。以双轴反向转动结构为例，太阳轮由高压轴驱动，行星轮由低压轴驱动，增压级由内环齿轮驱动。

2015年，与亚琛大学合作开展DDB发动机性能研究工作;2015年9月，在英國申请并获得专利;2017年3月，在中国申请并获得专利。

4  结束语

目前常规涡扇发动机技术水平国外已发展到相当的高度，新构型的航空发动机将是后续的发展方向。齿轮传动风扇发动机和双驱动增压级发动机，通过采用减速齿轮箱，提升了发动机的涵道比和总增压比，获得了更好的性能，可为国内发动机的研发提供参考。

参考文献

[1]梁春华. 欧盟大涵道比涡扇发动机技术研究计划[J] 航空发动机，2007，33（2）：57-58.

[2]李广义.国外大盟军用运输机发展现状与趋势[J].航空制造技术，2005（9）：36-43.

[3]李杰. 清洁动力PW1000G发动机发展历程与技术特点分析[J] 航空科学技术，2009，5：3-6.

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[5]Speak T H，Sellick R J，Kloos V. etc. Booster for a Two-Spool Turbofan：Performance Effects andMechanical Feasibility [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2016，138：1-9.