解析三大高效清洁航空发动机技术 中国研究待突破(2)

　　齿轮传动风扇技术

　　齿轮传动风扇发动机(GTF)(图2)是在风扇和低压压气机间引入减速齿轮箱，使得风扇和低压转子均处于最优转速条件下工作。低压转子在高转速下工作，保证较高效率，以匹配高压转子的最佳使用速度。同时，风扇在较低的转速下，气动损失和噪声都较小，从而实现通过增大发动机涵道比，提高发动机可靠性。齿轮传动风扇发动机涵道比可以提高到10～12，其耗油率较传统涡扇发动机可以降低15%～20%。而齿轮传动风扇叶尖速度降低减小了噪声，其噪声可以达到比国际民航组织规定低20dB。

　　齿轮传动风扇发动机由于减速齿轮箱的引入，必然带来风扇直径的增加，其发动机质量明显增加，如果不能很好地解决质量问题，齿轮风扇难以应用；同时由于减速齿轮箱的引入，风扇转速与低压转子转速分开，对高速低压压气机和高速低压涡轮带来了新的技术挑战，为此，齿轮风扇发动机的研制需要突破和解决如下技术难题：

　　a)减速齿轮箱的质量、可靠性是决定齿轮风扇发动机设计成败的关键，由于减速器采用了大量高速大负荷齿轮与轴承，其工作条件恶劣、零件数量多，因此减速齿轮箱需要在传动系统设计、润滑、冷却和齿轮箱饶曲控制方面有所突破，使减速齿轮箱满足轻质、高效和高可靠的设计要求；

　　b)由于齿轮风扇发动机风扇转速和低压转子转速是分开的，高速低压压气机需要在比传统风扇更高的转速和马赫数下工作，同时由于齿轮箱的加入，其直径增大，需要尽可能地减轻其重量，因此高速低压压气机设计面临气动性能和结构完整性两方面的技术挑战，因此需要突破轻质、紧凑高速低压压气机设计技术；

　　c)风扇转速和低压转子转速分开会对低压涡轮设计起着具有决定性的影响，传统低压涡轮高效率得益于适中的亚声速流动马赫数，而高速低压涡轮较高的切线速度导致整个流道处于跨声速流动状态，流道内的激波前锋同附面层相互作用产生损失，降低效率，同时高切线速度又导致涡轮盘出现高的机械负荷，极高的离心负荷将导致轮毂截面处，叶片的横截面和厚度较传统低压涡轮叶片明显加大和增厚，增加低压涡轮的重量，因此在齿轮风扇发动机研制中需要突破高效、轻质高速低压涡轮设计技术。

　　普惠公司于80年代投资3.5亿美元，对传动风扇的减速器进行深入研究，并取得相应进展。2013年6月，美国航空租赁公司和普惠公司已经签订备忘录，选定采用GTF技术的普惠“静洁动力”PW1100G-JM发动机为其确认订购的30架空客A320/A321neo飞机提供动力。

　　目前我国齿轮风发动机尚处于跟踪国外技术发展，结合国内研究基础，积极寻求国际合作的阶段。根据我国民航支线飞机的发展和越来越注重航空环境要求的趋势，齿轮风扇传动发动机的需求一定会日后凸显出来。