罗·罗公司民用航空发动机技术传承与创新

毛茂华，黄春峰

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川绵阳621010)

1 引言

罗·罗公司是世界上最优秀的发动机制造商之一，在民用航空、军用航空、船舶和能源四大动力市场居于国际领先地位。为提供更可靠、更安全、更经济、更环保的动力装置，罗·罗公司致力于先进涡轮风扇发动机新产品的研发与新技术的应用，在航空发动机研制中始终践行技术的传承性。其中具有代表性的是RB211系列发动机，它是世界上最早的三转子涡扇发动机，为Trent系列发动机的成功奠定了基础，经过45年的发展已无可争辩地成为当代大型民用航空发动机中最成功的发动机系列之一[1-2]。Trent系列发动机更是畅销世界，正在推出的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000发动机，将分别成为 B787、A350-1000、A330neo飞机的强劲动力。同时，为未雨绸缪，应对国际民用飞机动力强大的竞争压力，罗·罗公司不仅注重发动机成熟技术的传承与吸收，更是投入巨资积极探索研究发展先进航空动力新技术，始终坚持技术开发为先，如Ad⁃vance、UltraFan发动机项目，推进先进材料、新思想和新技术的研发与应用研究。

本文旨在通过介绍体现罗·罗公司技术传承性的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000发动机，以及体现技术创新性的Advance、UltraFan发动机项目，来理解罗·罗公司在发动机研发中的传承与创新思路，并从中学习、借鉴其成功的研发经验。

2 技术传承型发动机

Trent系列发动机延续了RB211系列发动机的三转子设计理念，是罗·罗公司迄今发展的性能最好的大涵道比民用涡扇发动机。下面主要介绍其中的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和 Trent 7000发动机。

2.1 Trent 1000TEN发动机

Trent 1000TEN发动机是Trent 1000系列中推出的最新型号，是B787梦幻客机的备选动力装置(图1)。其中的TEN分别代表推力、效率和新技术。它继承了罗·罗公司其他在役发动机上的成熟技术，如复合材料风扇叶片、分区分级低排放燃烧室、浮动壁火焰筒、高效冷却技术等。同时，还应用了罗·罗公司在Trent XWB和Advance发动机项目中验证成功的最新技术，如中压涡轮和高压涡轮上的新型高温材料和热障涂层，以及先进的“精益生产”管理方法。与Trent 1000Package C相比，Trent 1000TEN的耗油率降低了2%。

截止2016年，Trent 1000TEN发动机共计完成了150 h的高温、高速运行，进行了高原、结冰、横风、噪声和循环测试，充分展示了其可靠性、耐久性、操作性和功能性，并完成了型号试验认证。2016年3月，Trent 1000TEN在B747飞行试验台上进行了首飞测试，标志着该发动机开发项目进入了新的阶段。2016年12月，搭载Trent 1000TEN的B787-10客机首次试飞成功，意味着Trent 1000TEN将成为包括B787-8、-9和-10梦幻全系机型的启动发动机。

Trent 1000TEN的推出对于罗·罗公司非常重要，一方面保持了其民用航空发动机传统技术优势，另一方面增强了与其竞争对手GE公司抗衡的优势。与标准型Trent 1000发动机相比，Trent 1000TEN推力增加了26.7 kN。同时，由于部分零件采用碳复合材料，其质量更轻、耗油率更低。

2.2 Trent XWB-97发动机

Trent XWB系列发动机不仅是当今世界上最高效的大型航空发动机，也是迄今为止销售最快的宽体客机发动机，已售出1 600多台，累计飞行时间达到106h。Trent XWB-97是Trent XWB发动机系列的最新型号，将作为A350-1000的唯一动力装置。它以Trent XWB-84为基础，同时采用了创新先进技术，包括新的高温涡轮技术、先进的风扇空气动力学技术等。特别是采用的Trent系列发动机第5阶段燃烧室设计技术，更是显示出了极强的技术延续性，火焰筒采用可拆换瓦片的浮壁式结构，采用气动雾化喷嘴和轴向分区燃烧，燃油燃烧充分，增加了安全性，提高了经济性。由于采用这些先进的技术，以及尺寸更大的核心机，使得Trent XWB-97发动机推力高达430 kN，增加了空客A350-1000的有效载荷范围和最大起飞质量，更具市场竞争力[3]。同时，Trent XWB-97发动机成功采用ALM新技术(3D打印技术)提高了制造效率。2015年，罗·罗公司通过与国家増材制造中心合作，利用3D打印技术打印出了有史以来最大的民用航空发动机组件——直径1.5 m的Trent XWB-97发动机前轴承座(图2)，且经受住了性能测试。

2016年11月，由两台Trent XWB-97驱动的首架空客A350-1000成功完成了首飞。2017年8月，Trent XWB-97发动机获得了欧洲航空安全局(EA⁃SA)认证。目前，罗·罗公司已制造了20台Trent XWB-97发动机，用于试车台测试、开发测试和飞行验证。

2.3 Trent 7000发动机

Trent 7000发动机(图3)是罗·罗公司为A330neo飞机研发的一款专属发动机，是Trent发动机系列的第7个成员。其研发过程中充分借鉴了Trent 700的可靠性、Trent 1000的结构和Trent XWB的技术，采用全三维掠形宽弦风扇与小型高增压比核心机，额定推力303～320 kN。与现役Trent 700发动机相比，其涵道比从5提高到10，总增压比从36提高到50，耗油率降低10%，噪声降低10 dB，每架飞机寿命周期内能为运营商创造6 000万美元的价值[4]。

Trent 7000发动机的风扇直径从Trent 700的2.47 m增加到2.84 m，低压涡轮级数从4级增加到6级。尽管风扇直径增大增加了发动机直径与质量，但由于耗油率明显改善，且在与空客公司的气动改进措施融合后，可使A330neo飞机每座油耗降低14%。这得益于发动机的中压径向驱动轴系统。由于不与高压转子直接机械连接，因此快速减小供油并不会降低核心机的转速，可以使发动机在飞行和地面滑行阶段采用更低的慢车推力。除此之外，Trent 7000发动机也强调成熟技术的传承，依赖传统方法加入了引气设计。同时，高压涡轮叶片应用新型热障涂层，延长了其使用寿命；整体叶盘的使用降低了压气机质量；连续可调的主动涡轮间隙控制，可在不同飞行阶段提供最佳冷却空气量；使用新一代FADEC及发动机健康监测系统。2015年11月，Trent 7000技术验证样机在英国达比发动机试车台上完成首次动力运转试验(图4)。2017年10月，Trent 7000发动机驱动的A330neo飞机首飞成功[5]。

3 技术创新型发动机

罗·罗公司根据在Trent系列发动机研发上获得的经验和验证技术，着眼于未来的飞机市场，开展了Advance和UltraFan两款发动机研发工作。Advance发动机将比第一代Trent发动机在燃油消耗和二氧化碳排放方面减少20%以上，并可在2020年前进入市场服役。UltraFan发动机将采用一种具有变距风扇的齿轮传动设计，可实现比Trent 700减少25%以上的油耗及排放，预计2025年开始服役。

3.1 Advance发动机

Advance发动机源于罗·罗公司2012年推出的预研项目，旨在长期、持续推进大涵道比涡扇发动机技术的研究与发展。该型发动机强调技术创新，其核心机将采用新的高压和中压压气机、贫油燃烧室、陶瓷基复合材料(CMC)封严段以及先进冷却涡轮叶片。该核心机在载荷分配上有很大变化，高压压气机由两级高压涡轮驱动以承担更大的工作负载，而单级中压压气机负载较轻，使得Advance发动机可以更经济的方式得到所需增压比。Advance发动机涵道比将超过11，总增压比将超过60，耗油率至少比当前的Trent 700发动机改善20%，推力将高达222.5 kN。

Advance发动机目前已推出Advance 3验证机核心机[6](图5)。2017年6月，首台Advance 3核心机和风扇机匣已经在罗·罗英国布里斯托尔工厂完成组装，整机已于7月运往德比进行包括噪声、热测量、X射线检测等多项测试。计划2017年12月进行首次试车运行。测试时使用一台混装发动机，即在Advance 3核心机的基础上，前端装配Trent XWB-84发动机风扇，后端装配Trent 1000发动机低压涡轮，测试将持续到2018年初。该核心机将是罗·罗公司未来大型民用发动机的技术基础。

3.2 UltraFan发动机[7]

波音公司提出了中间级市场客机概念，这种介于窄体机和宽体机之间的新型客机，需装备推力为178～223 kN的发动机，拟在2025年前后取代B757和B767。罗·罗公司为在中间级市场客机中占领先机，全面推进了UltraFan发动机项目。UltraFan发动机的创新技术是在充分继承的基础上发展的，借鉴了Advance发动机的先进成果，通过增加齿轮系统形成新型发动机。驱动风扇的齿轮系统将为未来大推力、大涵道比发动机提供高效动力，能够使Ultra⁃Fan发动机涵道比达到15，压比超过70，而油耗比Trent 700至少降低25%，同时实现可靠性提高，耗油率、使用与维修成本、噪声均降低的技术目标。这种动力齿轮箱位于风扇轴和低压压气机轴之间，是一种先进的星形齿轮结构(图6)。使用5个行星齿轮，传动比为4：1，可让涡扇发动机的风扇和低压压气机分别运转在各自最优转速下；低压转子在效率较高的转速下工作，以匹配高压转子的最佳转速；同时，风扇在气动损失和噪声都较小的较低转速下工作，从而增大发动机涵道比。UltraFan发动机动力齿轮箱的设计输出功率将达73 550 kW，标志着世界上最大的齿轮传动涡扇发动机即将面世。除此之外，还在姿态试验台上对模拟起飞、爬升、倾斜及降落等不同飞行阶段该动力齿轮箱的在翼表现进行了测试。现阶段测试重点转为测试耐久性和可靠性等低功率性能。

采用齿轮系统驱动的变距风扇具有较大优势：可取消低压涡轮，由传统的三转子变成2.5转子；可增大涵道比，使飞机的航程延长50%，或耗油率降低30%；可实现传统涡扇发动机的反推力功能，取消反推力装置，后短舱质量大幅度减轻；可控制非设计转速下的失速和颤振。UltraFan发动机的变距风扇包括22片三维新型叶片，能够实现主动间隙控制，是体积和涵道比更大的新一代风扇。它采用与Ad⁃vance发动机相同的CTi风扇叶片(图7)和复合材料机匣。目前，CTi风扇已经达到技术成熟度TRL5，有望进一步提高到技术成熟度TRL6[8]。

目前，UltraFan发动机的核心技术有了重大突破。其中压压气机将从目前Trent XWB发动机的8级减少到4级；中压涡轮将从2级减少到1级，叶片长度增加；高压压气机与Advance发动机的相同，与Trent系列发动机的相比增压比更高，级数将达到10级(Trent XWB发动机的高压压气机只有6级)，并由1级高压涡轮驱动改为2级驱动；先进的贫油燃烧低排放燃烧系统已于2015年在B747-200飞行试验台上完成了飞行试验，和在Trent 1000全尺寸发动机上进行了地面试验。为减轻质量，转子将采用钛铝合金，而静子将采用陶瓷基复合材料。

4 结束语

罗·罗公司在民用航空发动机领域所取得的巨大成就，不仅依赖于坚实的工业基础、优秀的研发团队、科学的管理、规范的研发流程，更重要的是丰富的设计经验的传承与创新，将已有产品的成熟技术不断转移应用到新开发的产品中，并在转移应用中进行创新与发展。Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000是罗·罗公司保持传统优势的发动机，这些改型都是在原有成熟发动机技术优势基础上的继承与发展，是推动该公司产品不断走向成功的典型范例。Advance和UltraFan发动机则属于创新型产品，着眼于未来的飞机市场，其集中体现了罗·罗公司的创新设计理念，突破传统，采用革新技术，以使产品能够占领未来的市场。正是基于这种传承与创新相结合的思路，使得罗·罗公司的产品研发工作能够持续推进，新产品研发硕果累累。其研制思路可为中国航空发动机的研制提供参考借鉴。

[1]黄春峰.罗·罗公司——全面动力百年辉煌[R].四川绵阳：中航工业燃气涡轮研究院，2009.

[2]黄毓敏.全面动力系统方案领跑者——罗尔斯·罗伊斯公司[J].装备制造，2008：62—64.

[3]依 然.罗尔斯·罗伊斯开始组装首台更高推力遄达XWB发动机[J].航空制造技术，2014，(9)：20.

[4]孙明霞，梁春华.遄达7000发动机的由来与发展[J].国际航空，2015(12)：54—55.

[5]罗尔斯·罗伊斯.遄达7000助力空客A330neo首次试飞[N/OL].http://m.sohu.com/a/199209187-716058.

[6]晏武英.罗·罗公司Advance3下一代发动机验证机通过评审[N/OL].中国国防科技信息网，2015-06-04.http://m.sohu.com/n/414439445/.

[7]孙明霞.罗·罗公司超扇发动机研制进展[J].国际航空，2016，(3)：61—62.

[8]Norris G.Rolls-Royce gearbox and ceramics work aim at next-gen engines[J].Aviation Week&Space Technology，2016.