民用飞机发动机齿轮传动技术的发展

看航空   2017-04-15 05:06

民用飞机发动机齿轮传动技术的发展民用飞机发动机齿轮传动技术的发展发动机齿轮传动结构

几十年来,民用飞机发动机的主体结构一直没有发生改变,直至齿轮传动技术的出现改变了这一切。齿轮传动是机械传动中应用最广的一种传动形式,它的传动比较准确、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长。随着齿轮传动技术的发展,它也被运用于对传动性能和精确度要求更高的飞机发动机,这无疑对其结构设计和材料选择提出了更高的要求。

传统的涡轮发动机推力主要来自发动机的高压压气机、燃烧室和高压涡轮,空气进入压气机压缩后进入燃烧室,与燃料混合燃烧后产生高温气体冲出排气喷口。同时,由于压气机与后方的涡轮同轴,高温气体通过在涡轮中膨胀做功,带动压气机转动。

此后出现的涡扇发动机的工作方式也大致相同,它最大的变化就是“双涵道”,风扇吸入的气流一部分送进压气机(内涵道),另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出(外涵道)。外涵和内涵的空气流量之比称为涵道比。涵道比对涡扇发动机性能影响较大,涵道比大,耗油率低,但发动机的迎风面积大;涵道比较小时,迎风面积小,但耗油率大。

但为了实现这一点,进气的风扇(进气道)的大小不得不有所增加,同时,风扇的叶片不得不继续变长,转速也在不断增快,任何一个方面的继续增加都可能导致危险的振动。这增加了发动机在运转时的不稳定因素。

发动机齿轮传动优势

正是为了降低不稳定因素,设计师想到了齿轮传动技术,不同于原来通过气流的变化控制发动机各部件的转速,齿轮传动通过调整不同规格齿轮的相互啮合来改变转速。这个设计有如下好处:首先,齿轮传动结构有很好的稳定性,这样减小了发动机的震动;另外,相互啮合齿轮的转速比是它们半径比的倒数,因此只需要控制一个齿轮的转速就能精确控制所有与它直接或间接啮合的所有齿轮的转速,相较于传统发动机不仅省去了对气流参数的计算,而且结果更加精确。

使用齿轮传动技术,可以使风扇做得更大。同时,这种设计又将允许其他部件如压气机和涡轮都稳定地运行在最佳转速下,不受气流变化的影响。更加重要的是,实现这一切功能,不过就是在保持原来的发动机结构不变的基础上加装一个完全可靠的减速齿轮箱。

尽管齿轮传动发动机相较于传统发动机有明显优势,但它的稳定性是用增加齿轮结构过热的风险换来的,或者说它将发动机结构的不稳定转化成了热量的不稳定。目前飞机发动机都要达到每分钟几万转,如此高速运转,齿轮结构必然要摩擦并且生热。这除了对齿轮材料的性能和散热系统提出更高的要求外,还增加了飞机降落后发动机均匀冷却的时间,会影响客机运营方面。

PW1100G-JM首台测试发动机

早在2007年,普惠公司就发现传统飞机发动机的问题,并提出了齿轮传动发动机的概念。最终,作为普惠公司“静洁动力”的标志性品牌,PW1100G-JM齿轮传动涡扇发动机面世,并于2013年装备空客A320neo客机,顺利地完成了首次试飞,并且计划在2015年交付使用。此前成功的地面测试项目为首飞提供了准备,据悉地面测试项目进行了超过365个小时的地面性能测试和可操作性测试。PW1100G-JM发动机的推力达33000磅,这也是“静洁动力”系列发动机的最大推力。

自此,一切工作都进行得非常顺利,齿轮传动发动机也似乎将掀起民用航空发动机的一场变革。但就在2015年的最后一天,空客和普惠表示,第一架搭载普惠发动机的空客A320neo宣布推迟交货,原因可能正是减速齿轮箱引起的航空发动机冷却不均匀。尽管普惠公司在齿轮传动发动机的项目上遇到了一些问题,但是这一概念还是受到了广泛的认可,除了普惠公司,俄罗斯和中国也在就齿轮传动技术自主研发飞机发动机。

英国的罗罗公司在齿轮传动技术方面在全球处于领先地位。目前,已经投入使用的美国第五代战机F-35的升力风扇就采用了该公司的齿轮传动技术,其推力高达29000磅,而且效率极高。为了应对更大功率齿轮箱研发的挑战,罗罗公司斥资8700万美元在德国建设了UltraFan发动机齿轮箱测试平台。目前该公司最先进的发动机采用三轴系统,三个互相独立的转动轴各成一体,使得压气机和涡轮能在更接近于最佳条件下工作,从而提高发动机效率、减少压气机与涡轮级数。各轴的转速还可根据需要相对独立地调节,扩大了稳定工作范围。按照计划,齿轮传动技术可能会被集成到三轴发动机系统中,使其成为两轴半发动机,这样其传动的方式更加多样化,发动机功率也会得到提升。

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