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[专题] 转贴 普惠的清洁动力:齿轮涡扇发动机,它真能改变一切吗?

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dadao 发表于 2017-9-12 10:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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          普惠的清洁动力:齿轮涡扇发动机,它真能改变一切吗?
                                                                                                                                                                                                        
早在2008年的范堡罗航展,普惠公司就把“齿轮传动涡扇发动机(GTF)”正式命名为“清洁动力PurePower”。普惠公司称GTF“是几十年来商业喷气式飞机发动机领域最大的颠覆性技术”。

普惠的创新是在风扇和涡轮机之间放置一个变速箱,可让风扇以涡轮机三分之一的速度运转,被称为“超高效风扇”,结果是带来了更安静、能效更高的发动机,受到飞机制造商的热捧。

主力产品PW1000G的剖面图。普惠为此已持续研发了20年,累计投资超过100亿美元,意图打破过去三十年来CFMI公司在中级别单通道市场中一家独大的局面。

采用传动风扇减速器和TALON燃烧室,齿轮系统使发动机的风扇工作独立于低压压气机和涡轮,从而使GTF的燃油效率比目前的发动机高16%,噪音低50%,普惠公司称这是近年来取得的最重大的进步。

PW1000G的模型。上世纪六七十年代,普惠在中级别单通道飞机上占有率颇高,一不留神被CFMI(GE与斯奈克玛的合资企业)抄了后路,痛失销量最大的一块市场。

PW1000G的齿轮系统。

主力产品PW1000G在747SP测试平台上进行飞行测试。敢在发动机舱刷上“改变一切”,足见普惠的底气和重返这一市场的决心。

普惠的波音747SP飞行测试平台。

二号发动机就是PW1000G。

空客A320neo在美国测试PW1100G-JM发动机,A320neo其实就是围绕“清洁动力”的特点来设计的,还是欧美航空界通行的规矩:飞机围绕新发动机设计而不是相反。

在加拿大魁北克的米拉贝尔飞行试验中心测试PW1900G。

在空客A340-600上测试PW1000G。

普惠PW1000G系列总装线。普惠公司称“洁净动力PW1000G发动机可以令每架飞机每年节省150万美元”,这对运营商来说确实充满诱惑。看来普惠决心要在民用领域扭转颓势。

“清洁动力”的市场表现不错,最初是庞巴迪C系列、三菱喷气MRJ的唯一动力。

之后,俄罗斯MC-21和安博威E喷气-E2系列也选择作为首选动力。

现在又打开了空客A320neo的市场。但老对手CFMI的地位仍然稳固,还是波音737的唯一动力。

汉莎航空公司的A320neo已经使用“清洁动力”进入了商业运营。

航发三巨头通用电气(GE)、普惠(P&W)、罗罗(Rolls-Royce)正致力于先进涡扇、齿轮传动涡扇(GTF)和开式转子(OpenRotor)、超扇(UltraFan)发动机的研发,目的只有一个:为下一代民机提供更安静、更绿色环保的动力。

普惠公司称今后为宽体飞机开发的任何一种新发动机都将以GTF技术为特征,并且为下一代轰炸机、第六代战斗机、战术运输机和侦察机提供的动力也将以这一技术为主。

普惠公司称下一代军用飞机先进新型发动机“PW9000”计划已经存在,可达到很高的燃油经济性,推力范围44.5--134kN,可用于多种新型军用飞机,波音公司已参与PW9000的研制。

smzjh 发表于 2017-9-12 12:53 | 显示全部楼层
只不过另外两家公司,也都有齿轮传动涡扇发动机的开发计划
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3431 发表于 2017-9-13 14:31 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
smzjh 发表于 2017-9-12 12:53
只不过另外两家公司,也都有齿轮传动涡扇发动机的开发计划

与普通的三转子涡扇有什么区别?能不能做成单转子的?
smzjh 发表于 2017-9-13 14:35 | 显示全部楼层
3431 发表于 2017-9-13 14:31
与普通的三转子涡扇有什么区别?能不能做成单转子的?

理论上三转子是最好的涡扇,不过太复杂;单转子的涡扇,除了名字可以叫涡扇之外,性能是最差的
3431 发表于 2017-9-13 15:23 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
smzjh 发表于 2017-9-13 14:35
理论上三转子是最好的涡扇,不过太复杂;单转子的涡扇,除了名字可以叫涡扇之外,性能是最差的

那放个变速箱的意义何在……
hyperion 发表于 2017-9-13 18:59 | 显示全部楼层
3431 发表于 2017-9-13 15:23
那放个变速箱的意义何在……

三转子结构是非常复杂的,因为这需要内轴、中间轴、外轴嵌套在一起。而如果只有两轴就会简单很多。
但两轴的情况下,风扇与低压机必须迁就彼此的转速,这样就影响了设计优化。因此通过一个固定减速比的行星齿轮箱将风扇和低压机连接的话,就可以让它们各自运行在自己的最佳转速上,以达到三转子结构的效果。
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maomaojt 发表于 2017-9-13 21:33 | 显示全部楼层
3431 发表于 2017-9-13 15:23
那放个变速箱的意义何在……

简单讲,风扇的发展方向是大,但是叶尖不能超音速,所以风扇越来越大,转速越来越小,从而所需扭矩就越来越大,所以必须加个减速齿轮,让涡轮转的快,效率高,风扇得到需要的大扭矩和不大的转速。
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 楼主| dadao 发表于 2017-9-18 09:42 | 显示全部楼层

罗-罗公司完成大型齿轮涡扇发动机的关键部件“齿轮箱”的测试

maomaojt 发表于 2017-9-13 21:33
简单讲,风扇的发展方向是大,但是叶尖不能超音速,所以风扇越来越大,转速越来越小,从而所需扭矩就越来 ...

  导读:

  近日,英国著名航空发动机制造商罗尔斯-罗伊斯公司表示,该公司为商用客机研发更强劲和更高效的航空发动机已经迈出了关键的一步,成功的测试了UltraFan发动机设计中的关键部件:动力齿轮箱。
  根据罗尔斯-罗伊斯(简称罗-罗)公司的消息,该公司已经开始测试一个“动力齿轮箱”,将航空发动机后端的涡轮机和前面的巨型风扇连接起来,进行运转。
  咋一听,这不是美国普惠公司齿轮传动涡扇发动机(GTF)设计概念的介绍吗?早在2008年,普惠公司在当年的范堡罗航展上就宣布为新一代单通道飞机研制齿轮传动发动机,并将其新一代发动机命名为“静洁动力PW1000G系列发动机”,目前已经装配在了空客A320neo客机上交付了多个用户。
  普惠宣称,相对于传统的双转子涡轮风扇发动机,通过添加行星齿轮箱,风扇和低压涡轮可以以各自最优转速进行运转,从而带来了燃油效率16%的提高和75%噪声的减少,可以说是革命性的技术飞跃。
  美国普惠公司的涡扇齿轮发动机结构
  而且在N+3代发动机上,普惠称还将研究传动比最低为4︰1的全动行星齿轮结构,通过采用先进的气动特性和轻质量的风扇转子,通过更高齿轮比来增加涵道比,使总压比超过60。此外,普惠还将持续开展先进齿轮箱的研发,以实现燃油效率的进一步提升,并确保发动机在较冷环境下高效运转。
  其实齿轮传动技术并不是新的概念,早在上世纪,它就在多个小型航空发动机上得到了应用,但却从来没有应用到大型商用航空发动机上,因为一旦航空发动机推力过大,齿轮箱受力过大则容易变得不可靠,这也就是为什么普惠需要花费近20年的时间,投资超过100亿美元来进行反复研究和试验。
  而相比普惠的齿轮涡扇发动机主要是用在窄体客机引擎上,罗-罗公司生产的航空发动机则目前主要应用在大型宽体客机上,普惠GTF发动机的推力最大为33,110磅,而罗-罗公司的Trent发动机的推力却可高达100,000磅。
  而大推力和高效率带来的就是高涵道比,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。一些最新的民用涡扇发动机的涵道比高达9:1。但为了实现这一点,进气的风扇(因此进气道)的大小不得不有所增加,同时,风扇的叶片不得不继续变长,转速也再不断增快,目前已经接近音速,任何一个方面的继续增加都可能导致危险的振动。
  罗罗公司发动机技术的发展路线
  之前罗-罗公司的解决办法就是采用三转子结构,通过设置一个比传统双转子结构更低一级的低压涡轮来与风扇相连,来达到让风扇和涡轮在各自最优转速下运转的目标。这也是为什么罗-罗公司定位在普惠GTF发动机推向市场10年后,才使用齿轮传动技术。
  罗罗全球研究及技术总监理查德·帕克曾表示:“相比于传统的两轴发动机结构,三轴发动机的独特适应性,使得罗罗发动机在高达11:1的涵道比时依然具有极高的效率,因此我们没有到达变速箱的重量和复杂性超越低速、低效组件的重量和复杂性的临界点。因而直到今天,对三轴结构来说,齿轮技术并不是必需的。”
  不过话虽如此,罗-罗公司最后还是斥资8700万美元在德国建设了UltraFan发动机齿轮箱测试平台,从此次公布的消息来看,罗-罗公司宣称,这个接受测试的动力齿轮箱设计可以承受100,000 马力的负载,相当于1,000辆家用车的等效功率输出,这对罗-罗公司来说,这个设计的全新的。
  目前,这个动力齿轮箱还在进行测试中,罗-罗公司准备将其运行到全功率,以模拟当发动机运行在各个状态下的可靠性和性能,包括模拟飞行过程中陡峭的爬升和转弯。
  UltraFan发动机的首席工程师Mike Whitehead表示:“这将是我们将未来技术带入生活的重要一步,我们在2014年推出了UltraFan设计,现在我们正在把我们的新型设计变成现实。”
  对于具体的结构,尽管承认UltraFan发动机的齿轮将是一种星形齿轮装置,但罗罗并没有明确包括齿轮比在内的技术细节。不过通过引入齿轮系统,UltraFan发动机将完全取消现有低压涡轮,这也意味着罗罗发动机不再是真正的三轴结构,而是“两轴半”配置。
  总之,从目前公布的信息来看,罗罗和普惠的齿轮传动概念和应用可能同出一辙,只是普惠把它应用在中推发动机上,罗罗把它用在大推力发动机上。不过普惠在齿轮传动技术上碰到的挑战来看,罗-罗公司能否像其承诺的那样,第一次就做对还有待观察,但100年前,莱特兄弟就知道,飞往成功就意味着必须承担风险。

maple 发表于 2017-9-20 04:18 | 显示全部楼层
风扇能不能单独用电力驱动?
3431 发表于 2017-9-20 07:44 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
maple 发表于 2017-9-20 04:18
风扇能不能单独用电力驱动?


到隔壁空客的电动飞机那个贴里有
 楼主| dadao 发表于 2017-9-20 10:08 | 显示全部楼层
maple 发表于 2017-9-20 04:18
风扇能不能单独用电力驱动?

要在涡轮动力轴上串联一个发电机,提供电力给风扇的电动机使用。

理论上如果可以做到超导电机,发电机和电动机体积重量都可以减轻减小,大推力混合动力涡扇发动机也是可行的。
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