发动机竞赛下一棒：罗罗发力齿轮技术

胡勤

如果用一个词概括罗尔斯·罗伊斯（罗罗）公司现役大型航空发动机的特点，那一定是：“三轴”。的确，这个在航空业独树一帜的大型发动机结构，奠定了罗罗公司数十年来成功的基础，罗罗公司对此更是深信不疑。但如果要概括十年后罗罗公司大型航空发动机的特点时，这个词则是：“齿轮”。

今年年初，罗罗公司公布了未来十年发动机的设计蓝图，对其技术路线和发展规划做了简要阐释，首次明确提出在其大型商用发动机上使用齿轮传动技术，并计划采取“两步走”的战略完成技术过渡。日前，罗罗全球研究及技术总监理查德·帕克（Ric Parker）在北京接受了《环球飞行》记者的专访，他详细介绍了罗罗未来设计蓝图的技术细节，并就行业关注的焦点问题回答了记者的提问。

“三轴”的生命力

罗罗的“三轴”发动机技术始于20世纪60年代，并随着RB211发动机的巨大成功得以巩固，在商用发动机市场的竞争中成为一支举足轻重的力量。目前，GE公司和普惠公司研发的现役大型航空发动机均采用“双轴”设计，发动机中的风扇、低压压气机和低压涡轮通过轴连接组成低压系统，高压压气机和高压涡轮通过另一根轴连接组成高压系统。而“三轴”设计增加了由中压压气机和中压涡轮组成的中压系统，发动机风扇直接由低压涡轮驱动。

在“三轴”系统中，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。

由于采用“三轴”设计，罗罗发动机上的很多改进项目，都能较容易地应用在各种型号上。这种边用边改的方法可以使用户以最经济的代价逐步提升其发动机性能。

这种结构布局还使发动机在较低的涡轮进口温度下能达到较高的推力，因此发动机的热端部件寿命更长，降低维护费用。此外，发动机单元体设计可以进一步降低维修的难度。

在遄达发动机此前的改进过程中，罗罗往往是通过增加中压系统的工作负荷来提升发动机能力。而在罗罗“两步走”战略的第一阶段中，“新型Advance发动机突破常规，减轻了中压系统的工作负荷，让高压系统承担更大负载，”帕克表示。相比目前最先进的遄达XWB发动机，Advance发动机的高压系统将采用10级高压压气机和2级高压涡轮，而非目前的1级高压涡轮。同时，中压压气机的级数将从现有遄达XWB的8级缩减为4级左右，而中压涡轮的级数将从2级缩减为1级。

“更重要的是，新配置与未来的UltraFan发动机具有了巨大的相通性，这是一种能够适应未来需求的结构，”帕克表示。此外，罗罗还计划在Advance发动机上首次采用重量更轻的复合材料碳/钛合金风扇叶片、复合材料机匣和轻量化的低压涡轮系统。

沿用“三轴”设计的Advance发动机预计可以在2020年前后投入使用，其涵道比高达11：1，总压比超过60：1，燃油效率比第一代遄达发动机至少高20%。

齿轮的“使命”

事实上，罗罗并不是第一个将齿轮传动技术应用到大型航空发动机的公司。早在2008年，普惠公司在当年的范堡罗航展上宣布为新一代单通道飞机研制齿轮传动发动机。目前，首款采用齿轮传动发动机的庞巴迪C系列飞机已于去年完成首飞，正在进行最后的适航验证冲刺；而普惠齿轮传动发动机中最重要的机型——空客A320neo已经完成首飞，计划在明年交付用户。

相比竞争对手，罗罗为何计划在10年后才使用齿轮传动技术？帕克给出了他的解释：“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，这一点在传统两轴发动机上难以实现。”

“即使是采用三轴设计，我们依然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。这主要是因为我们的风扇转子上没有低压压气机。相反，我们配备了可以自行优化转速的中压压气机。因而直到今天，对三轴结构来说，齿轮技术并不是必需的。”帕克表示。

在齿轮传动领域，罗罗的技术积累不可小觑。目前，已经投入使用的美国第5代战机F-35B的升力风扇，采用了罗罗的齿轮传动技术。帕克表示：“罗罗拥有先进的大功率齿轮传动技术，F-35B升力风扇的推力高达29000磅，而且效率极高。”

为了应对更大功率齿轮箱研发的挑战，罗罗斥资8700万美元在德国建设了UltraFan发动机齿轮箱测试平台。帕克表示：“这是一项庞大的计划，该计划将采用Advance发动机的核心机，并在其周围配置新型低压系统，并通过英国和德国的国家项目来提供部分资金。”

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。“我们清楚地知道基准是什么，只是必须要对其进行验证。”帕克表示：“齿轮比大致为3：1，也许更高一些，还没有最终确定。”

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。罗罗关于齿轮箱和相关滑油系统的测试将一直进行到2015年年底。

“第一次就做对”

根据罗罗公布的设计蓝图，未来发动机的主要技术亮点包括：采用CTi碳纤维钛合金风扇叶片、复合材料机匣，陶瓷基复合材料（CMC），齿轮传动技术和新型贫油燃烧系统等。然而，这些技术在竞争对手的“产品介绍”中同样存在，而且相当一部分技术将先于罗罗投入市场。

“在罗罗，我们信奉‘第一次就做对的宗旨。新材料的应用可能影响产品可靠性和交付时间，市场此前已经有了先例和教训。”帕克表示：“我们会慎重选择运用技术的时机，确保质量和安全，并力求将成本降至最低。”

据帕克介绍，他本人自1992年起就致力于复合材料的研发，“那时候昂贵的成本阻碍了商业应用，从超级合金、钛铝合金到碳纤维和陶瓷基复合材料，我们力求实现空气动力学表现与材料强度之间的平衡，以满足航空制造业对性能、成本、可靠性及环境表现不断提高的要求。”

尽管罗罗认为其空心钛风扇叶片仍然具有竞争力，但随着风扇直径的日益增大和材料经济性不断提升，“是时候使用复合材料风扇了”，新材料的使用预计会让每台发动机的重量减轻750磅。“几十年来我们一直在监控行业发展，等待技术成熟到足以投入商业化运营时投入使用。”帕克表示。

UltraFan发动机还将采用可变距叶片技术，新型超薄短舱设计等全新技术。由于风扇可以在所有飞行阶段改变节距，短舱内将不会设置反推力装置。UltraFan发动机中压涡轮的旋转部件将采用钛铝合金材料，而燃烧室喷嘴等静止部件将采用陶瓷基复合材料（CMC）。

据帕克透露，罗罗正在研究诸如“叶环”和“间冷”等“更具长期性和前瞻性”的技术。整体叶环技术（bling，装有叶片的环）是现有叶盘技术（blisk，装有叶片的圆盘）的演变，更轻且更加坚固。间冷技术是指通过冷却压气机中气流的温度，减少压气机加压所需的能量，满足高总压比要求，进而提高发动机热效率，并降低氮氧化物排放。作为欧洲“新型航空发动机核心机”（Newac）项目的一部分，罗罗已经对基础的“间冷”空气系统进行了测试。