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罗罗“超扇”:距离上天,还要多久?
送交者: 笨啊笨[♂★★★DoctorateCandidate★★★♂] 于 2021-04-13 22:18 已读 527 次  

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3月29日,罗罗发布声明,表示其首个超扇发动机(UltranFan)已经正式进入组装阶段:英国德比市(Derby)的DemoWorks工厂已经开始正式组装首个超扇发动机验证机(UF001),预计将于今年内完工。

根据罗罗公布的参数,超扇发动机的工程设计关键包括:

风扇直径达140英寸(约3.556米),而同时,碳/钛合金风扇叶片和复合材料机匣可让每架飞机的重量降低最多1500磅(约680千克);

其齿轮设计能够为未来的高推力和高涵道比发动机提供高效动力,这使得超扇与第一代遄达发动机(Trent)相比,燃油效率能提升25%;

超扇发动机的首次试车将采用100%可持续航空燃料,能够提高机队向更可持续燃料过渡的经济效益。

从2014年启动超扇发动机研制计划到2020年初,罗罗已经在超扇发动机的研发工作上投入了约5亿英镑。按照此前的规划,罗罗本计划在2025年前交付首架超扇发动机,但是由于研发艰辛,叠加疫情的影响,罗罗目前已经将首架超扇发动机的交付节点推迟到了2030年左右。

显然,这款发动机是罗罗公司在未来双发大型干线客机产品线上与对手展开竞争的核心产品,无论是设计规格还是技术应用上都下足了血本……那么,超扇发动机到底具有什么样的优点?作为其代价的困难又是什么?

一:理想前景:大、轻、静

1:巨大风扇,突破传统涵道比

对于亚声速飞行的运输类飞机,省油的最大秘诀就是烧着尽可能少的燃油,但却能喷射出尽可能多的气流、从而产生尽可能大的推力。

大涵道比涡扇发动机原理:吸入中间的内涵道的空气与燃油混合燃烧后喷出,吸入外围的外涵道空气不参与燃烧

在涡轮喷气式发动机这个大类中,涡扇发动机之所以能迅速取代涡喷发动机成为主流设计,其核心优势就在于,涡扇发动机在以涡喷作为核心的基础结构上加装了一个更大直径的风扇——风扇只消耗涡喷的一部分功率,却能通过外涵道,产生流量数倍于涡喷核心结构(内涵道)的发动机喷流。

在涵道比越大,发动机越能降低油耗、提高推力这一原理下,从上世纪50年代至今,全球主流运输类飞机的发动机正变得越来越“粗短”——长径比变小,风扇直径越来越大。

而根据超扇发动机的设计指标,其最大风扇直径超过3米,涵道比高达15:1,推力最高可达49.9吨……相较于传统大涵道比涡扇,罗罗宣称这样的设计能减少25%的油耗、90%的氮氧化物排放以及65%的噪声。

2:齿轮传动优化,更轻巧安静

而发动机风扇叶片的直径越大,在同样的转速下,叶片边缘的速度就越高,一旦叶片边缘逼近或者超过声速,就会由于形成激波等多种原因,导致叶片的气动效率急剧下降、噪声急剧升高、并需要更高的结构强度和刚性……

因此,决定超扇发动机成败的设计关键之一,就在于一边保证发动机的极高效率,另一边还能让风扇的转速大幅度降低下来。

而在主流的涡扇发动机设计中,这两点往往是相互矛盾的:

通常来说,发动机风扇通常直接连接在低压转子上,低压涡轮/压气机叶片旋转一圈,风扇也跟着转一圈;低压涡轮/压气机叶片需要足够高的转速,才能保证较高的工作效率。

减速齿轮传动涡扇(上)与传统直驱风扇(下)的涡扇发动机结构原理对比

超扇发动机对这一传统思路的突破,是在低压转子和风扇之间加装一个减速齿轮箱:低压转子旋转几圈,才能带动风扇旋转一圈。这样两者都能以最适合自己的转速进行运转,从而实现风扇、低压涡轮、低压压气机同时高效工作的目的。

超扇发动机的减速齿轮箱,设计功率为10万马力,而压气机和涡轮的效率提升,又促进了超扇发动机的另一个关键性能:由于发动机所需的叶片级数也大幅度降低,发动机全长可以显著减少,大大减轻了重量,并显著改善了压气机和涡轮的可靠性和维护性。

二:对齿轮传动的“爱”与“恨”

1:齿轮传动设计早已有之

涡扇发动机的齿轮减速传动设计最早可以追溯到上世纪50年代法国的欧比思科(Aubisque)发动机,随后又见于美国ALF502、TFE731等少数发动机。

霍尼韦尔TPE731发动机

这几款涡扇发动机都有一个相同的背景:都是基于较为成熟的小推力发动机改进、后期加装风扇而来。小发要提高性能,就一定会利用叶片直径小的特点,把转速设计的很高来提高效率,而加装减速齿轮机构,协调核心机与风扇的转速,就成了不得已而为之的手段。

直到上世纪70年代末期之前,避免采用齿轮传动,采用直连设计——为此不惜把压气机和涡轮做的级数更多更复杂,都一直是涡扇发动机设计领域的共识。

2:齿轮传动缺陷明显

为何发动机设计师一直避免齿轮传统设计?其实原因很简单:相较于直驱式风扇的设计,减速齿轮箱带来的麻烦太多了——

在发动机的整机结构上,风扇和压气机之间添加一个齿轮箱,除了齿轮箱本身,还需要至少增加两个轴承和配套的润滑系统、两个承力框架、对齿轮箱与低压转子不同心的补偿机构、为齿轮箱提供润滑和密封的油、气系统......

因此,只有在涵道比达到10以上,对于大型涡扇发动机来说,齿轮传动涡扇的性能才能形成明显的优势。

三:超扇之前:投入巨大、风险不少

1:超扇之前的若干尝试

上世纪70年代末期,美国普惠公司开始探索基于齿轮传动风扇设计的全新大型涡扇发动机:在CFM-56发动机的巨大市场优势下,如果美普惠继续开发同级别的直驱式风扇型号,很难形成明显的性能竞争优势。

为此,美普惠付出了极为巨大的代价:仅前期的基础研究和试验就持续了20多年,耗资10多亿美元,而且过程并不顺利。

比如上世纪90年代的PW8000发动机项目,由于性能不及预期,在研发几年后就被迫取消……而到第一个实用型号PW1000G真正研发完成、推向市场时,已经是2016年。

PW1000G发动机,涵道比为12.5,风扇后的暗金色部件就是减速齿轮箱

PW1000G的减速传动齿轮,按3:1进行减速。低压转子的转速为12000至15000转每分钟,风扇转速为4000至5000转每分钟

也就是说,从立项到PW1000G推向市场,美普惠在这个项目上用了三十多年。而PW1000G的最大推力不到15.9吨、齿轮箱传递功率仅为为22MW。而超扇发动机的齿轮箱传递功率要达到74.57MW……显然,技术难度远远高于PW1000G。

2:挑战工程极限

在设计之外,齿轮传动发动机也挑战着人类工程水平的极限:从机械设计的角度来说,整个人类的近现代工业发展都建筑在齿轮发展的基础上。换句话说,齿轮怎么设计、制造已经在几百年间被研究到了极其成熟的地步。

这种背景下,超扇的减速齿轮箱要做到前所未有的性能水平,意味着它必然面临这样的困难:即使是常规使用环境下几乎无法检出的不利因素,譬如材料上极细微的组织或成分不均匀、工艺上极细微的瑕疵、设计上已经被抑制到极低水平的齿轮啮合振荡.......

超扇发动机动力齿轮箱

即便在现役的先进发动机上,这些不利因素对发动机性能与寿命毫无影响,但在超扇发动机巨大功率的高速扭转下,都会被迅速发展、急剧放大,并导致部件的疲劳、性能劣化、乃至破损失效……

这一切都在挑战着罗罗对超扇项目的决心与投入。因此,尽管目前首款超扇发动机验证机已经在组装中,但其未来市场前景依旧倚靠全球民航业的复苏情况——

在2020年12月,罗尔斯•罗伊斯公司工程技术总监西蒙•伯尔(Simon Burr)在接受媒体采访时曾表示:“如果客户航空公司能更早地对超扇发动机表现出浓厚的兴趣,那么超扇发动机的研发工作将获得极大的加速。”

而在2021年1月的媒体采访中,罗罗首席执行官沃伦·伊斯特(Warren East)曾表示,罗罗计划在2022年完成超扇发动机测试机的测试后就将该项目“冻结”,停止进一步投资,直到新飞机上市。
6park.com

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