GTF发动机技术性能和应用前景分析

1GTF发动机技术性能和应用前景分析黄春峰《航空制造技术》2012.8军民用发动机是现代工业革命的结晶，由于需要长时间、反复在高温、高压和高转速条件下工作，其研制难度和对工业基础技术的要求远高于其他平台的发动机，往往研制一台发动机所需要的时间和资源要远高于研制一型飞机。航空发动机三大巨头的通用电气（GE）、普惠（P&W）、英国罗·罗（Rolls-Royce）正致力于先进的涡轮风扇发动机、齿轮传动风扇发动机（GearedTurbofanEngine,GTF）和开式转子发动机（OpenRotorEngine）的研发，将为下一代民用飞机提供更安静、更绿色环保的动力装置。进入21世纪，大型客机发动机市场呈现出行业集中度加快、三足鼎立、寡头垄断严峻、市场竞争加剧的新趋势。美国普惠公司面对强大的竞争压力，积极探索研究民用航空动力新技术，主动推出GTF发动机技术，期待在酝酿中的新一代单通道客机市场竞争中向CFM国际公司（CFMI）的统治地位挑战，并希望成为低推力级别强有力的竞争者，抢占窄体客机发动机市场的制高点。2008年7月范堡罗航展期间，普惠公司将GTF命名为“洁净动力PW1000G（PurePower1000GTM）”，涵盖了推力级别为66.7~133.5kN的新型齿轮传动风扇发动机。2010《时代周刊》年度50大最佳发明揭晓，多项航空科技成果入选,其中包括PW1000G齿轮传动风扇发动机、波音787客机、太阳能飞机，足见GTF发动机在航空科技发展历程中的重要地位[1]。2GTF发动机是普惠公司为赢回正在逐渐失去的民用发动机市场而研发的大推力高涵道比涡扇发动机，被誉为是“先进的洁净动力（PurePower）”，将给下一代民用飞机的环保、性能和运营成本建立新的标准。普惠公司为GTF设定的目标是，与目前发动机（如V2500或CFM56）相比，维修成本降低40%，噪声水平比ICAO第4章低约15dB，排放比CAEPII限制低多达70%[2-3]。从世界民用航空动力发展趋势看，GTF发动机与其他正在发展中的技术相比,成熟度高，具有较大的优势，是未来最具潜力的发展方向，并呈现出巨大的市场应用前景。齿轮传动风扇发动机的技术性能特点GTF发动机（图1）相对于传统的双转子涡轮风扇发动机，核心机没有根本变化，仅仅是增加了一个减速箱（图2）。在双转子涡扇发动机的风扇和低压压气机之间引入减速齿轮箱，目的是使低压转子在效率较高的高转速下工作，以匹配高压转子的最佳转速；同时，让风扇在气动损失和噪声都较小的较低转速下工作，从而通过增大发动机涵道比，实现发动机更加节能、减排、降噪和环保的优化设计目标。3图1齿轮传动风扇发动机(GTF)为了降低洁静动力PWl000G系列发动机的研发成本和风险，GTF发动机项目采取合作研发的模式。研发战略团队的重要合作伙伴主要由普惠、MTU、Avio、VolvoAero航空公司和Goodrich公司组成。GTF核心机源自PW6000涡扇发动机。普惠公司负责高速低压压气机研制；Avio公司负责风扇传动齿轮系统的研制；MTU公司负责高速低压涡轮的研制；VolvoAero公司负责涡轮排气机匣的研制；Goodrich公司负责流线型（细长型）引擎舱的研制等[4-5]。GTF发动机概念集成的先进技术与系统效益，技术关键在于低压转子部件。高压转子部件与先进双转子直接传动风扇发动机的高压部件几乎一样，主要由1级风扇、传动风扇减速器、3级低压压气机、8级高压压气机、采用TALON技术的环形燃烧室和2级高压涡轮及34级低压涡轮组成。相对于传统涡扇发动机，GTF发动机呈现出了一些新结构特点值得关注和分析[6]。行星齿轮结构如图3所示，右边是直接连接低压涡轮（LPT）的3级低压压气机（LPC）。中间是采用行星齿轮的减速齿轮系统，减速齿轮系统中间的太阳齿轮传动的是低压涡轮（LPT）的动力，利用太阳齿轮周围的行星齿轮（5个）减速后再传动到外侧齿轮，外侧齿轮与风扇相连[7]。图3GTF发动机结构局部图普惠公司的富油-快冷速混-贫油（RQL）TALON燃烧室采用先进的燃油/空气喷嘴和混合器，金属衬壁（浮壁），以及先进的冷却控制，使得发动机在起飞、高海拔巡航和着陆时都具有更低的氮氧化物排放[8]。高压压气机具有结构紧凑的特点，采用了整体叶盘与悬臂式的静子叶片结构。高压涡轮应用了先进的气体动力学、先进的冷却控制和密封技术。普惠公司正在研究轻型材料风扇叶片和复合材料风扇叶片，新型风扇5叶片将会被用在生产型齿轮传动风扇发动机上。此外，研发的新型热防护涂料，可以显著提高发动机的耐久性和在役飞行时间。在齿轮传动风扇发动机中，普惠公司的合作伙伴也应用了不少先进技术，如负责生产低压涡轮的MTU公司就采用了欧洲“环境友好发动机部件有效性”技术验证研究项目的技术，因而使低压涡轮仅有3级，而输出功率相似的V2500发动机为5级。其设计特点包括：切剪过的叶冠，质量较轻的钛铝叶片，并增加叶根到叶尖之间的截面积，从而进行了减根设计[9]。PW1OOOG系列发动机发展历程普惠公司在研究GTF实践过程中，在发展用于传动风扇的减速装置时，充分利用了西科斯基研制直升机主减速器和普惠加发展多型齿轮风扇传动发动机及涡轮轴发动机减速器，以及实施先进涵道桨扇发动机（ADP）技术、P&W公司先进技术整体风扇”（ATFI）验证机技术计划和欧洲CLEFI技术计划的经验和技术，跨越了PW8000和PW800发动机的技术发展台阶，迄今花费近20年时间、投入10多亿美元，取得重要进展[10]。早在2005年，普惠公司及其合作伙伴开始为下一代支线喷气飞机和单通道飞机的新型齿轮传动风扇发动机进行技术台架试验，当时新型齿轮传动风扇发动机被改称为GTF发动机。GTF是普惠公司为下一代商用飞机提供动力装置的整体技术成熟计划的组成部分。普惠公司正积极在全球15个试验台上对齿轮传动风扇发动机关键部件进行试验，已完成多达1200项的测量内容。该型发动机将为环保和发动机工作性能建立新的标准。62008年启动生产型洁净动力PWl000G系列发动机项目，将用于MRJ的发动机命名为PW1214G（推力为64.8kN级），将用于庞巴迪C系列的发动机命名为PW1524G（推力为106.4kN级）。截至2011年6月，该型发动机已获得1200多台的订单。图4406h地面试车PW1000G系列发动机试验进程加快，GTF样机飞行试验已经提上日程，正在进行高密度的技术验证试验（图4）。从2007~2009年，全尺寸GTF发动机验证机已完成406h的地面台架试验、120h的空中飞行试验（在普惠的波音747SP飞行平台上进行了12次45h试车，在空客的A-340-600飞行平台上进行了27次75h试车），同时还进行了风扇传动系统和热管理系统的测试、减速器耐久性试验等。2010年，PW1524G齿轮传动涡扇发动机完成慢车、最大功率运转计划在2012年首飞，并将于2013年在庞巴迪公司的C系列客机CS100上使用[10]。普惠公司在2011年4月底首次把S/N002涡扇发动机原型机与7Goodrich公司研制的发动机短舱相连接，对PW1524G发动机短舱可调喷管的工作特性进行测试。GTF发动机的应用与市场发展潜力鉴于其技术性能特点和性能优势，齿轮传动风扇发动机概念的推出引起了极大的关注。GTF发动机不仅可以应用于不同的飞机尺寸（商务机、单通道、宽机身）和任务（支线、中程、远程），还具有发展成为军用航空动力的潜力。1航空公司和航空动力业界反应热烈由于齿轮系统和全新核心机的完美组合，GTF发动机将成为下一代支线和单通道商用飞机的动力，相对于现役的民用发动机，GTF发动机油消耗降低15%，维护成本降低20%，噪音降低75%，污染物排放降低50%，同时拥有世界级的可靠性。自2008年范保罗航展期间正式将GTF发动机命名为PurePowerPW1000G——洁静动力PW1000G型发动机。在此后不到2年的时间中，GTF发动机已经发展成为一个由3种型号组成的新兴家族（图5）。8图5PW1000G系列发动机应用图谱“洁净动力PW1000G发动机可以令每架飞机每年节省150万美元。”普惠公司商用发动机及全球服务业开发及市场高级副总裁罗伯特·基迪2010年10月表示，该发动机已被确定为加拿大庞巴迪C系列飞机和日本三菱MRJ支线喷气飞机的唯一发动机。同时，鉴于ПД-14发动机仍处于零部件试验验证阶段，俄罗斯伊尔库特首架MC-21飞机也将选装PW1000G系列齿轮风扇发动机，在俄罗斯“2020年远景民航技术发展规划”中独领风骚[11-12]。普惠公司设想“洁净动力”家族的GTF系列发动机推力范围为66.7~133.5kN，是基于2种型号的核心机。其中，用于三菱支线喷气飞机MRJ的PW1214G发动机推力为66.7~75.7kN，采用的是全新的核心机，2014年将投入使用；庞巴迪C系列飞机的PW1524G发动机推力在93.5~106.8kN，因此需要一个更大的核心机，将在2013年投入使用；伊9尔库特（Irkut）MC-21的PW1400G发动机推力在101.2~142.4kN，2016年投入使用[13]。目前PW1000G发动机不仅可以传动低端支线飞机和单通道干线飞机，推力为44.5~182kN，还可以装备空客和波音公司的下一代高端单通道客机。2010年空客公司作出决定将采用普惠GTF配装A320NEO来应对庞巴迪C系列所形成的威胁。2011年汉莎公司选择了PW1100G发动机来配装新购买的30架空客A320客机。3月16日，汉莎公司董事会批准了此项订单。汉莎公司与普惠公司达成协议，为新机组购买的60台PW1100G发动机自2016年起开始交付。现在人们乘机出行时更加关注旅行的舒适度，因此航空公司对研制一款新型轻重量双通道窄体客机的需求日益增加。鉴于此，PW1000G发动机仍有很大的技术发展潜力（推力增大到182kN，170~220座级，座位数与A320和A321飞机类似），以满足未来双通道飞机的需求。普惠还同波音、空客密切接触，希望PW1000G能在A320、B737系列飞机新发动机和未来其他型号飞机的研制工作中发挥作用。普惠期待GTF发动机技术将被嵌入包括为新型宽体飞机研制的发动机在内的所有普惠发展的新的大型发动机[14]。目前一半以上的世界商用航空机队都在使用普惠的发动机。GTF发动机取得的成就正是基于普惠公司在航空发动机、燃气轮机和航天推进系统10的设计、制造和支援方面的不懈努力，致力于开发和使用更好的耐热涂层，更加环保的工艺，新的创造性维修程序，更有效的涡轮叶片，更安静、燃油效率更高的发动机。PW1000G正在进行详细设计，计划于2013年下半年投入使用。据预测在GTF的全寿命周期里大约能卖出4000台44.5kN推力级、1500台66.75~75.65kN推力级和3000台103kN推力级发动机，总价值大约为120亿美元。截止到2011年6月，普惠公司PW1000G发动机订单量达到1200多台。普惠有信心下一代的发动机将会继续沿用GTF技术，期待所拥有的核心机技术应用到大推力发动机上[15-16]。2积极寻求可能的宽体客机应用普惠公司透露某飞机制造商已经与其接触来共同检验PW1000G齿轮风扇的宽体应用。普惠下一代产品系列的副总裁BobSaia称已经有一不愿透露姓名的制造商与普惠的发动机制造商进行接洽，开始GTF发动机在宽体应用上的研究。Saia指出该发动机将是推力范围为265~445kN内的PW4000替代品，其针对的飞机是250座级以上的机型。Saia强调了新面世的PW1000G系列发动机的增长潜能。齿轮箱的应用优化了大直径风扇和发动机核心体的工作，使得燃油效率最大化而噪声却极大地降低。潜在的应用包括在B777系列或空客A330上的更新或完全替换。目前都为B777和A330飞机提供了PW4000发动机。在A330替换或更新上采用齿轮传动风扇将填补空客产品线在A321和A350-800中185~270座级间的空缺[17]。11观察人士意识到了配装CFM国