齿轮传动与开式转子发动机：下一代民机动力的优先选择
齿轮传动与开式转子发动机：下一代民机动力的优先选择出于对燃油经济性和绿色环保产品的不懈追求，普惠、罗罗和GE等世界著名发动机制造商均在已有产品体系框架下不断尝试推出新型发动机产品，以满足时刻变化的市场需求。
这些产品以传统发动机构型为基础，通过引入架构上根本性的变化，极大地提高了发动机燃油效率，有些产品已经成为了下一代民用飞机动力的优先选择。
齿轮传动发动机：强化风扇效率，优化发动机油耗噪音
齿轮传动发动机(GTF)是传统双轴发动机的一种衍生型，其不同之处在于发动机风扇与低压涡轮转子之间加装了减速齿轮传动系统，具体位置位于风扇转子之后;通过该齿轮系统的变速衔接，可以使风扇和涡轮在各自最优工作转速情况下运转，从而达到整机性能优化的目的。
从最早的美国霍尼韦尔公司TFE731、ALF502系列发动机产品，到普惠公司最新研发用于单通道客机的PW1000G系列发动机，均为GTF的典型代表。
随着现代高性能涡扇发动机涵道比的不断增大，风扇叶片直径呈现增加趋势;尽管低压转子的转速没有明显增加，但风扇叶尖直径速度依然不断得到提高。当风扇叶片叶尖切向速度达到跨声速时，将引起风扇效率的急剧下降，从而表现为整机性能衰退，且不利于压气机的喘振防护。
GTF的出现从根本上解决了这一问题。由于风扇齿轮箱的存在，压气机和涡轮可以在很高转速下独立运转，充分利用航空煤油燃烧后化学能的释放和压气机对内流空气的做功;当能量通过齿轮箱减速增扭传递至风扇后，可以进而对外部空气做功，产生发动机所需推力。通过预先设定的齿轮箱传动比，可以将风扇转速控制在所需范围内，从而避免风扇叶片叶尖切向速度达到声速。
普惠公司将这一构型的PW1000G誉为下一代单通道客机动力单元的“游戏改变者”，并对其航线表现寄以厚望。事实上，从空客A320 NEO、庞巴迪新一代C系列、巴西Embraer公司下一代“E系列”以及日本新一代支线客机MRJ飞机独家选取PW1000G发动机作为动力单元的现状来看，人们有理由相信GTF将以优异的表现重新回到支线客机和单通道客机市场。
根据发动机设计原理，随着发动机涵道比的增大和风扇转速的降低，发动机的整机油耗和噪声均得到改善;因此，同等技术水平下GTF的噪声和油耗均优于涡扇发动机。
普惠公司的分析表明，对于装配有GTF的单通道客机来讲，可帮助飞机相对现有同类机型降低15%的燃油消耗，在相比CAEP/6标准具备50%排放裕度的同时每年减少3600吨氮氧化物排放。同时，相比传统发动机，GTF在涵道比、噪声、油耗方面的整体表现以及飞机起飞时噪声测量数据，都要低于传统发动机。
GTF的另一大优势是具备了充足的性能裕度。在必要条件下，可以使发动机的性能表现得到跨越式的提升。依据发动机设计原理，追求更低燃油消耗率和推力表现的一种普遍技术途径为不断提高压气机压比和燃烧温度，并相应提高转子转速来满足发动机控制律要求。
这一实质上提高热机效率的举措所带来的负面影响便是需要在热端部件采用更加耐高温的材料，或在材料不变的情况下适当增加发动机二次空气系统间冷却气体的流量。此时，发动机材料的安全裕度在高性能内部参数面前退化到最低接受程度，虽可以确保在一定时期内发动机的可靠运行，但发动机自身性能改善裕度已所剩无几，并增加了长时间运行后发生故障的风险。
GTF则选择了另一条技术途径：通过提高低压系统效率来提高整机的推进效率。具体表现为：通过减速齿轮箱的衔接，可以保持低压转子在高速优化转速下运转，同时确保风扇在低转速、高效率下工作，在保持材料安全裕度的同时达到高性能表现。一旦通过新材料升级和设计技术改善等措施，GTF的性能可以再次得到提升。
当然，这同样会面临前一种技术途径所需承担的风险，是否需要进行性能升级，最终由客户需求和市场前景来决定。
开式转子发动机：开放式风扇，提升发动机燃油经济性
开式转子发动机(Open Rotor)是可以满足下一代民用飞机动力需求的潜在备选方案之一。不同于传统涡扇发动机，该类型发动机的风扇(叶轮)没有短舱包裹，而是直接延伸至气流之中。尽管这类发动机的最佳巡航速度慢于涡扇发动机，但对于飞行时间通常不超过2小时的单通道客机(如B737、A320等)来讲，额外增加的旅程时间不会超过10分钟。
相比同等推力等级的涡扇发动机，开式转子发动机在改善燃油经济性和降低二氧化碳排放方面具备极大潜力。涡扇发动机通过不断增大风扇直径和涵道比来达到逐步降低油耗的目的，但同时造成发动机重量、迎风阻力的同步增加。开式转子发动机则彻底摆脱这一限制，通过移除短舱可以实现极高的理论涵道比设计，其燃油消耗率可降低25-30%;对于发动机制造商来说，这个极具变革性的数字将成为对航空公司发动机选型谈判时最重要的筹码。
为进一步提高发动机的推进效率，使气流通过叶轮后产生更为直接的推力，开式转子发动机第一排叶轮后面通常设置有第二排反转叶轮，但同时也为该类型发动机的设计带来了众多技术挑战：一是失去了短舱的包容性结构和消声设计特征，发动机的叶片断裂保护和噪声处理更为困难;二是叶轮变距机构的设计极为复杂;三是发动机叶片在较高飞行速度下效率明显下降，这也是目前该类发动机难以用于远程高速客机的重要原因。
随着已有机队老龄化和中国、印度、拉丁美洲等新兴航空市场的崛起，预计2032年左右全球航空市场所需单通道民用飞机超过29000架，其中新飞机超过15000架;这些新机型的投放将带来1万亿美元的潜在市场。然而，对于下一代单通道民用飞机的一个重要需求便是，飞机的经济性需要提高10%-15%。这便给开式转子发动机等新型产品的研制带来了绝佳的契机。根据风扇位置的不同，开式转子发动机可以分为推进式和拉进式。前者风扇安装在发动机后部，后者风扇安装在发动机前部。理论上讲，开式转子发动机可以装配单排或双排叶轮;但有意思的是，通常拉进式机型设有单排风扇，而推进式机型则设有双排对转叶轮。在同样推力等级需求的情况下，推进式发动机更易于采用直径或转速更小的风扇设计形式;风扇直径减小直接给飞机-发动机集成带来了便利，而转速降低则有利于发动机的噪声抑制。
事实上，开式转子发动机概念在历史上由来已久。早在1939年，涡桨发动机投入服役，由动力涡轮通过减速齿轮箱驱动螺旋桨这一工作方式便在航空发动机上得到广泛应用。直到现在，涡桨发动机仍是低速通航飞机首选的动力装置。在上世纪80年代，当燃油价格呈现急剧上涨趋势时，以桨扇发动机为代表的配有对转风扇的涡轮发动机被研发出来，通过发动机自身推进效率的提高以进一步降低飞机的燃油消耗。然而，出于噪声抑制、结构复杂等方面的技术原因，这类发动机从未得到广泛的商业推广;再加上随后燃油价格的逐步回落，开式转子发动机的研制便重新回到了技术验证阶段。随着发动机设计技术的不断进步，很多新技术与制造工艺在下一代开式转子发动机上得到了有效应用，这使得该类发动机同涡桨发动机产生了本质区别。尽管现在还无法确定开式转子发动机上所应用的新技术名称，但一些基本技术特征已经得到证实。
先进的涡轮和压气机系统——新材料，新涂层，在降低热端部件冷却空气流量的同时改善压气机、涡轮叶片的气动效率，从而降低发动机燃油消耗水平;低排放燃烧室——燃烧室以新的贫油燃烧方式工作，有利于降低氮氧化物排放总量;改善后的控制系统——更加先进的电子元件、传感器、作动器和软件可使发动机性能得到进一步优化;低重量结构——新材料应用、创新式设计与加工工艺有利于降低整机重量，改善燃油消耗水平;先进的风扇叶型设计——在低压系统中，气动特性改进后的叶型和变距系统有助于风扇在全飞行包线内以最佳性能工作。总体来讲，开式转子发动机的核心机应用技术与传统涡扇发动机基本一致，随后者核心机设计技术的发展，开式转子发动机的设计水平也同步提高。得益于独特的桨叶构型和变距特征，开式转子发动机具备了其它发动机不可比拟的经济性优势。
由于发动机自身结构特性的限制，开式转子发动机在噪声表现上较难达到同样技术水平下涡扇发动机的等级，即未来涡扇发动机将比同时代的开式转子发动机更加安静。但由于匹配了更加先进的技术，开式转子发动机将比现役的涡扇发动机噪声更低。对于飞机制造商来讲，如何将风扇直径达到3-4米的开式转子发动机同飞机高效集成，则是摆在面前的一大难题。当前最为常见的发动机安装方式为翼吊，这对于发动机在翼检查和维护来讲是较为方便的。但对于开式转子发动机来说，安装于飞机机尾之上则是更为切实的选择，这便给发动机的维修带来了困难。可以预见的是，开式转子发动机造成的飞机飞行速度受限问题还将困扰人们一段时间。
延伸阅读
20世纪80年代，普惠公司便开始专注于齿轮传动发动机的研制，从最初的发动机转子-气动力试验开始，逐步确立了发展完善齿轮传动系统的技术路线。
20世纪90年代，GTF完成50000磅推力验证机的风洞试验和齿轮初步设计工作。2000年以后，普惠公司通过缩比核心机分别完成了适用于支线和单通道飞机的GTF验证机项目，并在2010年搭载波音747飞行试车台进行了飞行验证试验。
随着空客公司为其A320neo飞机选择了PW1000G系列发动机之后，庞巴迪、三菱等公司也相继宣布为其产品装配GTF。至此，PW1000系列发动机正式在支线客机与单通道客机领域参与市场竞争。
2009年，PW1000G发动机被《流行科学杂志》授予最佳新产品称号，并同时得到了国际航空界多家主流期刊的年度大奖认可。在燃油经济性方面，PW1100G-JM相比现役发动机将改进15%，并在二氧化碳、氮氧化物排放方面改进50%。在噪声表现方面，安装有该发动机的飞机舱内噪声将进一步降低，使飞机更加安静舒适。2015年底，首架安装有PW1100G-JM发动机的A320neo飞机已经投入市场运营。
当前，英国罗罗公司、法国Snecma公司和美国GE公司都在开式转子发动机研发领域开展大量工作。比如，罗罗公司已经在德荷DNW高速风洞完成了该类型发动机的噪声测试试验，Snecma公司主导研制的直接传动式开式转子发动机也已进入试验验证阶段。在欧洲“静洁天空”研究项目中，专门设有“可持续绿色发动机”研究计划，以进一步降低发动机油耗、排放和噪声水平。
对于航空公司来讲，选择使用该类型发动机可以使中等规模单通道机队每年节省约300万美元的运营成本，并减少10000吨二氧化碳排放。对于航空运输业所涉及的空气质量改善来讲，这无疑是一大积极举措。此外，美国航空航天局(NASA)研究成果表明，开式转子发动机在燃油经济性方面有望满足下一代民机的设计要求，但仍有很多工作有待开展。
相比现有构型发动机，开式转子发动机最大的改变便是由开式叶轮代替传统风扇，提高了发动机本体的推进效率。对于燃油成本占现金运营成本40%以上的航空公司而言，这一结果具备极大吸引力。人们普遍预测2025-2030年航空煤油价格飞涨之际将是开式转子发动机投放市场的最佳时机。
作为未来航空动力的两种主要动力装置，齿轮传动和开式转子发动机已经逐步显现出其技术革新在经济性、环保性方面所带来的收益。同样运行工况条件下，开式转子的燃油消耗率要低于GTF，但两者的燃油经济性相比现役发动机却均有着实质性提高。由于开式转子的耗油量更低，其排放表现要低于齿轮传动，但后者却更加安静，且可在更高飞行速度下保持高效运转。因此，开式转子发动机更适合于单通道或支线客机，而GTF则是远程宽体客机的绝佳选择。
来源：大飞机报、飞行世界
作者：杨彬，中国商飞北研中心总体论证部高级工程师
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