遄达XWB发动机发展与设计特点

陈 光

（北京航空航天大学，北京100191）

0 引言

遄达XWB3转子大涵道比涡扇发动机是RR公司继遄达700（用于A330客机）、800（用于B777客机）、500（用于A340-500、-600客机）、900（用于A380客机）与1000（用于B787客机）后的第6型遄达系列发动机，是空客公司A350XWB客机的惟一动力装置。

本文概述了遄达XWB发动机的发展历程，研究了其设计特点。通过对比分析其总体结构和各部件的性能特点，得出该发动机各方面良好的综合性能。

1 A350XWB客机和遄达XWB发动机的发展概况

1.1 A350XWB客机

空中客车公司（简称空客）于2005年10月启动A350项目，计划为衍生自A330客机设计的1款250～300座双发宽体客机，机身横截面与A330客机的相同，以与波音公司的B787-9、B777-200ER及计划中的B787-10客机相竞争。由于航空公司未看好A350客机的发展前景，订单很少，所以空客只得放弃拟议中的A350项目。2006年7月17日，空客将A350客机的机身加宽，命名为A350XWB(ExtraWide Body，超宽机身)，其双耳垂形（椭圆形）的机身横截面最大直径为5.97m，比A330/A340客机的大0.33m，也比空客之前的宽体客机的大；但是比A380、B747和B777客机的都小。

A350XWB系列飞机包括A350-800、-900和-10003种不同机型，其航程都可覆盖全球各个角落。在典型3级客舱布局下，-800、-900和-1000分别可搭载270、314和350名乘客。而A350XWB系列所有型号的飞机在高密度客舱布局下的载客量都可以达到440人。

2012年4月开始总装第1架A350XWB客机，次年5、6月分别完成整体喷漆和地面滑行测试，并在法国图卢兹布拉尼亚克机场进行了首飞。计划A350XWB-900、-800与-1000分别于2014年4季度、2016、2017年投入航线运营。2014年12月22日，空客向卡塔尔航空公司交付了第1架A350XWB-900客机，于2015年1月5日投入了航线运营，基本达到了预定的首航计划。截至2014年初，己得到39家航空公司的812架A350XWB客机的确认订单，其中亚太地区客户共订购了244架，占总订单的30%。

1.2 遄达XWB发动机

2005年空客推出A350项目时，RR公司为了争取向其提供动力装置，提出了采用推油门的方法加大用于B787客机的遄达1000发动机推力的措施，并采用常规的由高压压气机向飞机机舱供气（在B787客体上，发动机驱动2台功率各为250kW的交流发电机，发出的电流驱动向飞机机舱供气的空气压缩机的电动机）的方案，将该改型的发动机命名为遄达1700。当空客决定发展A350XWB客机后，为了获得更多的用户，要求其具有更经济、环保与易维护等特点，显然RR公司拟议中的遄达1700发动机满足不了空客的要求。在RR公司与空客协商后，提出了比遄达1000发动机的性能显著提高的遄达XWB发动机，作为A350XWB客机3个型号（A350XWB-800、-900和-1000）的惟一动力装置，对应的3型发动机型号为遄达XWB-75、-84和-97，推力分别为330、374、430kN。

2006年RR公司在遄达1000发动机的基础上，正式启动了遄达XWB发动机的研制工作。

2010年6月14日，推力较小的遄达XWB-84发动机进行了第1次台架试车，2012年2月18日在由空客公司的豪华巨型客机A380改装的飞行试车台上进行了第1次飞行试验，在取证前进行了42次共140h的飞行试验。在完成了全部取证试验后，遄达XWB-84发动机于2013年2月7日取得欧洲航空安全局（EASA）颁发的适航证。

2013年6月14日，首架配装遄达XWB-84发动机的A350XWB客机（编号为MSN1）开始飞行试验，随后又有4架试飞飞机（MSN2～MSN5）参加取证前的飞行试验。该试验包括在南美玻利维亚高海拔机场与阿拉伯联合酋长国的AlAin炎热环境的发动机性能试验；在加拿大Iqaluit酷寒（气温为-30℃）条件下的发动机性能试验，该试验进行了1周时间，试验后的进气锥被冰层覆盖如图1所示。

2014年5月15日，RR公司向空客交付了用于首架投入运营的A350XWB客机的遄达XWB-84发动机。

2014年7月15日，遄达XWB发动机推力最大型号遄达XWB-97进行了首次地面台架试车，计划于2016年进行飞行试验，配装该发动机的A350 XWB-1000客机计划于2017年投入航线运营。

图1 遄达XWB发动机进气锥被冰层覆盖

2 遄达XWB发动机的设计特点

遄达XWB发动机由1级风扇、8级中压压气机、6级高压压气机、低污染环形燃烧室、1级气冷高压涡轮、2级气冷中压涡轮与6级低压涡轮组成，如图2所示。

图2 遄达XWB3转子大涵道比涡扇发动机

2.1 与传统RB211/遄达发动机的不同

1972年，RB211-22B3转子大涵道比涡扇发动机配装于三星L1011宽体客机。RR公司在此基础上，研制了RB211-535C、-535E4、-524C/D、-524G/H与-524G/H-T等系列发动机，又在-524G/H发动机的基础上发展了遄达系列发动机。在上述发动机中，风扇后的支点（N1）处采用滚棒轴承，中压涡轮为单级与高压涡轮工作叶片带冠是一贯的。遄达XWB发动机除在这3点打破了传统设计外，还第1次在中、高压压气机中采用整体叶盘，并在风扇部件中第1次采用复合材料的风扇后机匣，低压涡轮工作叶片不仅首次采用TiAl合金，且局部做成空心结构。

2.1.1 风扇后支点处采用大直径滚珠轴承

以往PW与GE公司的大涵道比涡扇发动机的风扇后支点即1号（N1）支点，出于安全性考虑均采用能承受轴向载荷的滚珠轴承。一旦风扇轴折断，风扇盘能保持在发动机内而不会在风扇叶片气动轴向力作用下甩离发动机。但是，RR公司从RB211-22B发动机到遄达1000发动机，均在风扇后1号支点处采用滚棒轴承，将承受低压转子轴向力的滚珠轴承设在中压压气机后，且该滚珠轴承内、外环分别固定在风扇后轴和中压压气机后轴内孔上，成为中介轴承，如图3所示。

在传统的RB211/遄达发动机中，为了解决风扇轴折断后风扇盘甩离发动机的问题，在风扇转子内的第1、3号支点间设置特别的保持轴，如图4所示。从图中可见，保持轴前端紧紧压在风扇盘端面上，后端向内伸的挡边扣在低压涡轮轴前端套齿联轴器压紧螺帽后端，二者间留有间隙A。当正常工作时，始终保持间隙A，保持轴不起作用。—旦风扇轴折断，风扇转子在气动轴向力作用下前移，此时，保持轴前移压到螺帽上，转子即被滚珠轴承所拉住而不会甩出。但是，在实际使用中，曾出现过几次（例如1981.5、1981.8、1981.9与1982.12）风扇轴折断后，保持轴未将风扇盘保持在发动机内的事件。风扇盘多次甩离发动机，在航空发动机发展史上也属罕见，表明RB211系列发动机的风扇保持系统仍不够完善。

图3 遄达XWB与传统的RB211/遄达发动机的风扇转子支承上的对比

图4 传统的RB211/遄达发动机风扇转子中的保持轴

在遄达XWB发动机中，将紧靠风扇盘后的轴承（N1）改为大直径的滚珠轴承，如图5所示。该轴承内径大于中压压气机后滚珠轴承的外径。在传统的RB211/遄达系列发动机中，风扇转子滚珠轴承内径比风扇盘后滚棒轴承和中压压气机后滚珠轴承内径都小。由此可见，遄达XWB风扇转子的滚珠轴承尺寸比传统RB211/遄达系列发动机的要大得多，不仅使承载轴向负荷的能力提高4倍，而且取消了保持轴，使结构更简单，质量减轻。

2.1.2 中压涡轮改为双级

在传统RB211/遄达发动机中，中压涡轮一直采用单级设计，而遄达XWB发动机的中压涡轮改成了双级。由于发动机的总压比高达52.0，改进后可降低涡轮级负荷，以提高效率。但在遄达1000发动机中，其总压比为52.1，还稍高于遄达XWB的，但其中压涡轮仍采用单级。

2.1.3 高压涡轮工作叶片不带冠

在RR公司研制的发动机中，包括斯贝、RB199以及传统的RB211/遄达等发动机，高压涡轮工作叶片均带冠，而在PW与GE公司的发动机中则相反。由于高压涡轮工作叶片短，带冠后减少叶尖相对漏气损失的作用更为显著，从而可提高效率；但高压涡轮工作叶片处在高转速、高燃气温度的工作条件下，带冠后对叶片榫根的强度带来较大问题。RR发动机的高压涡轮工作叶片做成带冠的，说明其涡轮工作叶片的材料较好。但是，在遄达XWB推力最大型号即遄达XWB-97发动机中，高压涡轮工作叶片没有采用带冠结构，这是由于为了增大推力，提高了涡轮前燃气温度，此时高压涡轮工作叶片带冠其叶片榫根承受不了高强度。而在遄达XWB的-75与-84发动机中，高压涡轮工作叶片仍然带冠。

图5 遄达XWB发动机风扇盘后改用滚珠轴承

2.2 风扇

风扇直径是遄达系列发动机中最大者，为2.997m，比GEnx发动机的还大0.178m，仅比GE90发动机的小，空气流量约为1440kg/s。风扇采用了小的轮毂比（约0.25），在空气流量一定时，可减小风扇直径，加大涵道比，减轻质量。但轮盘直径较小，为了能安装所需的叶片数，叶片榫根采用了圆弧形，风扇部件如图6所示。

图6 遄达XWB发动机风扇

风扇叶片叶尖采用小的切线速度，以降低噪声。叶片后掠，称为弯刀形叶片，如图7所示。采用最新的3维气动方法设计，以提高效率。Ti6/4合金风扇叶片结构采用了RR公司的第3代设计，即DB/SPF(扩散连接/超塑性成形)做成的带中间桁条的空心叶片。风扇叶片后缘与分流环前缘间留有较大间距，以便将随流入发动机气流的细小砂石、雨水等甩向外涵道。斜置的出口导向叶片与风扇叶片间留有很大间距，以降低噪声，先进发动机中经常采用该设计，同时起到风扇与中压压气机间中介机匣的传力构件。

风扇包容机匣采用遄达900、1000发动机上的结构，即做成由Ti6/4锻制的带加强环的环形机匣。RR公司称，该设计不仅具有足够的包容能力，而且质量轻。风扇后机匣由复合材料制成，这是遄达系列发动机第1次在风扇后机匣上采用复合材料。

风扇轮盘与遄达1000的相同，即相当于带3个轮盘的混合式转子。

风扇后的分流环前缘通有热空气进行防冰，如图8所示。从图中可见，对分流环前缘加温后的热空气由前缘缝隙中流出，并随内涵气流流入中压压气机中。分流环防冰设计，在其他发动机包括遄达系列前几种型号中均未采用过。

图7 风扇叶片（前视）

图8 分流环用热空气防冰

2.3 中、高压压气机

与遄达1000发动机一样，遄达XWB发动机中、高压压气机分别为8、6级，如图9所示。中压压气机的前4排静子叶片做成可调节的（遄达1000发动机中为前3排）。沿用了遄达900、1000发动机的高、中压压气机转子反转设计。

图9 遄达XWB发动机中、高压压气机

中、高压压气机采用新近发展的子午流道抬高（risingline）气动设计技术，以改善速度分布，并在设计中采用全3维分析手段。在中、高压压气机转子中笫1次采用了整体叶盘结构。2005年前后，RR公司来中国宣传用于B787客机的遄达1000发动机时，针对GEnx发动机（用于B787的另1型发动机）高压压气机中采用3级整体叶盘结构，特别强调在遄达1000发动机中没有采用整体叶盘结构，似乎其不适用于民用大涵道比涡扇发动机。但之后在遄达XWB发动机中，中、高压压气机中不仅采用了整体叶盘，而且还报道采用其给发动机带来的好处。显然，今后在民用大涵道比涡扇发动机中将广泛采用整体叶盘。

由于遄达XWB发动机总压比高达52，高压压气机轮盘均由镍基合金做成，前3级为整体叶盘结构，且焊成一整件，后2级与后轴焊为一体，在单体的第4级盘处用短螺栓将整个转子连接成整体。后3级的工作叶片用环形燕尾榫头与轮盘连接。与遄达1000发动机的一样，压气机中采用双层机匣的结构，且对应工作叶片叶尖的机匣作成整环，以保证在工作中各级叶片叶尖有较均匀的间隙，如图10所示。

图10 高压压气机前3级为镍基合金整体叶盘且焊成一体

2.4 燃烧室

遄达XWB发动机燃烧室采用遄达系列发动机笫5阶段燃烧室设计，火焰筒采用可拆换瓦片的浮壁式结构，如图11所示。瓦片采用强制冷却的设计，可减少冷却空气量，有较合适的出口温度场，提高了效率并减少NOx排放。虽然RR公司在几个技术验证技术计划如ANTLE、EFE、ALEXSYS等中采用贫油燃烧室，改善了NOx排放，但结构较复杂，维护费用高，以及对耗油率与CO2略有影响，因此，在遄达XWB发动机中仍然采用遄达系列发动机的笫5阶段燃烧室，即富油燃烧室设计。

图11 遄达XWB发动机燃烧室

RR公司的第5阶段燃烧室实际上是串联燃烧的分级燃烧室，其中的燃烧情况是前、中、后分别为富油燃烧级（R）、快速猝熄级（Q）、贫油燃烧级（L）。燃油与空气没有预先混合，燃油由气动雾化喷嘴喷出后，全部燃油和部分空气进行富油燃烧，通过降低燃烧温度来减少富油燃烧区的NOx，然后富油燃气快速与2股气流混合形成快速猝熄，在燃烧室后段进行贫油燃烧。在该燃烧室中形成了富油燃烧区以及混合和降温贫油燃烧区2个明显的燃烧区。

遄达XWB发动机采用先缓扩后突扩的双级扩压器，高压压气机出口导向叶片与缓扩扩压器铸成一体。燃烧室机匣采用Waspaloy锻制成一体，再经机械加工而成，一改传统设计中的由板料焊接而成的作法，该设计己应用于一些最新发展的发动机中。

遄达XWB燃烧室具有燃油燃烧充分、排污低、耗油率低等特点。根据RR公司的分析，遄达XWB-84发动机的耗油率比GE90-115B发动机的低10%；同时具有巡航效率高以及高空再点火好的能力。

2.5 涡轮

遄达XWB发动机涡轮由1级高压涡轮、2级中压涡轮及6级低压涡轮组成，如图12所示。从图中可见，由于涵道比大，低压涡轮转速低，为了达到较好的工作能力，只得加大低压涡轮叶尖直径，因此，整个涡轮机匣呈特大的锥形。

在遄达XWB系列发动机中，推力最大的-97型的推力比-75型的大30%。推力增大主要通过提高涡轮前燃气温度达到，该温度高达1975K[4]，与第4代战斗机用的推重比为10的F119发动机的温度相当。因此，在-97型中，高压涡轮工作叶片不仅采用新的耐高温性能好的材料与涂层，而且改变了RR公司高压涡轮工作叶片带冠的传统设计，取消了叶冠。

在工作叶片不带冠的高压涡轮中，为了提高效率，遄达XWB发动机采用较为先进的叶尖主动间隙控制系统；另外，在叶片叶尖处涂有耐高温与耐磨的TBT429材料，而在叶尖对应的衬环上涂有抗氧化的涂层，以减小叶尖间隙，当叶尖与衬环碰摩时，衬环不会氧化。

遄达XWB核心机增压比较高，核心机的涡轮如仍用2级，则涡轮的气动负荷较高，会影响效率，因此改为3级涡轮。在2级高压涡轮加1级中压涡轮与1级高压涡轮加2级中压涡轮的2种方案中，经过优化分析与计算，最终遄达XWB发动机采用1级高压涡轮加2级中压涡轮的方案，改变了RB211与遄达系列发动机采用单级中压涡轮的传统设计。

6级低压涡轮采用最新一代的气动与结构设计技术设计的工作叶片不仅首次采用TiAl金属间化合物的轻质合金，且第3～6级局部做成空心的，以减轻质量，局部做成空心的工作叶片也是遄达XWB发动机的首创。

2.6 其他方面

（1）遄达XWB发动机采用常规由高压压气机引气供飞机增压座舱的方式，因此，不像遄达1000发动机在附件传动装置中驱动2台各250kW的交流变频发电机，而是驱动2台各100kW的交流变频发电机。

（2）交流发电机等附件是由中压转子驱动的，在发动机起动时当作起动机使用，为此，在附件传动装置中，发电机通过1套带自动离合器（超越离合器）的双轴传动装置，与中、高压转子连接。当发动机起动时，交流发电机作为起动机驱动高压转子，发动机起动后自动转成中压转子驱动发电机等附件，提高了高压压气机喘振裕度。

（3）设有在飞行中实时监测发动机性能参数的先进发动机健康管理系统。

3 遄达XWB发动机的综合性能

3.1 性能

遄达XWB发动机是该系列发动机中风扇直径、推力最大的1型发动机，其与遄达1000、以及GE90、GE90-115B与GEnx等发动机的主要参数对比见表1。

从表中可见，遄达XWB发动机与遄达1000发动机相比，总压比一致，涵道比略小，涡轮前燃气温度有所提高。与GE公司的GEnx发动机相比，涵道比稍小，总压比大很多。由于遄达XWB发动机取证时间（2013年初）比GEnx发动机（2008年4月）的晚5年，采用了在那5年中新近发展的叶型气动设计、金属和非金属材料、调节与诊断等许多技术，因此，其在性能、经济性、排放、噪声与维修成本等均处于当今领先的地位，是最好的发动机（GE9X发动机在某些方面可能优于遄达XWB发动机，但计划于2020年才能投入航线使用），这也是A350XWB客机受到航空公司青睐的原因之一。

表1 几型发动机主要参数

3.2 经济性

由于采用高的循环参数（涵道比9.3、总压比52）及21世纪初新发展的技术与材料，遄达XWB发动机的经济性显著优于当前在役的发动机，如图13所示。其中，遄达XWB发动机的耗油率比遄达1000发动机的低2.7%，比GE90-115B发动机的低10%。因而，配装遄达XWB发动机的A350XWB宽体客机每座燃油效率比目前飞机的高25%。按每个航班飞行5h，1年飞行5000h计，每架A350XWB客机可为航空公司每年节省250万美元。

图13 各型遄达发动机与RB211-524H发动机的耗油率比较

3.3 噪声

由于采用先进的气动设计及多种降噪措施，遄达XWB发动机的噪声水平相当于GE90发动机的50%，使A350XWB客机的外部噪声比目前正在运营的同级别飞机的低16EPNdB（有效可察觉噪声分贝），低于国际民航组织第4章的要求。

3.4 排放

由于燃油能够充分燃烧，遄达XWB发动机的排污值较低。各型遄达系列发动机CO2与NOX排放值的比较如图14所示。从图中可见，遄达XWB发动机的CO2与NOX排放值分别比遄达895发动机（2000年投入使用）的低15%与40%。

图14 遄达XWB发动机与遄达其他型号的排放值对比

遄达XWB-84与-97发动机的一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、未燃碳氢化合物（UHC）和烟尘（smoke）排放值与CAEP-6及CAEP-8限制值的裕度如图15所示。从图中可见，XWB-97发动机的NOx值与CAEP-6限制值相比，有15%的裕度；与CAEP-8限制值相比，仍有10%的裕度。

图15 遄达XWB发动机4项主要排放值

CAEP-8是国际民航航空环境保护委员会CAEP（CommitteeforAviationEnvironmentalProtection）在CAEP-6的基础上拟订的更为严格的标准，2013年以后定型的发动机要遵守此标准。在2个标准中，NOx限制值在低总压比时，CAEP-8比CAEP-6的低15%，在高总压比时（例如遄达XWB-97发动机），CAEP-8比CAEP-6的低10%。

上述遄达XWB发动机排放值是在燃烧室部件试验以及在美国空军AEDC（ArnoldEngineering DevelopmentCenter）高空台上进行的高空工作性能及点火试验中获得的。因此，遄达XWB发动机以其最先进的气动性能及高效率的燃烧室有助于减少排放，使之不但符合目前的排放标准，同时也会在可预见的未来符合环保要求，使A350XWB客机平均每名乘客的二氧化碳排放比现有大型客机的降低25%左右。

4 结束语

综上所述，遄达XWB发动机从结构特点、设计性能到整体综合评估都具备良好的特性，是目前世界上最先进的发动机。

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