毛茂華，黃春峰

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng)621010)

1 引言

羅·羅公司是世界上最優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商之一，在民用航空、軍用航空、船舶和能源四大動(dòng)力市場(chǎng)居于國(guó)際領(lǐng)先地位。為提供更可靠、更安全、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的動(dòng)力裝置，羅·羅公司致力于先進(jìn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品的研發(fā)與新技術(shù)的應(yīng)用，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中始終踐行技術(shù)的傳承性。其中具有代表性的是RB211系列發(fā)動(dòng)機(jī)，它是世界上最早的三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，為Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)的成功奠定了基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)45年的發(fā)展已無(wú)可爭(zhēng)辯地成為當(dāng)代大型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最成功的發(fā)動(dòng)機(jī)系列之一[1-2]。Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)更是暢銷世界，正在推出的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000發(fā)動(dòng)機(jī)，將分別成為 B787、A350-1000、A330neo飛機(jī)的強(qiáng)勁動(dòng)力。同時(shí)，為未雨綢繆，應(yīng)對(duì)國(guó)際民用飛機(jī)動(dòng)力強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，羅·羅公司不僅注重發(fā)動(dòng)機(jī)成熟技術(shù)的傳承與吸收，更是投入巨資積極探索研究發(fā)展先進(jìn)航空動(dòng)力新技術(shù)，始終堅(jiān)持技術(shù)開(kāi)發(fā)為先，如Ad?vance、UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，推進(jìn)先進(jìn)材料、新思想和新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用研究。

本文旨在通過(guò)介紹體現(xiàn)羅·羅公司技術(shù)傳承性的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000發(fā)動(dòng)機(jī)，以及體現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新性的Advance、UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，來(lái)理解羅·羅公司在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中的傳承與創(chuàng)新思路，并從中學(xué)習(xí)、借鑒其成功的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

2 技術(shù)傳承型發(fā)動(dòng)機(jī)

Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)延續(xù)了RB211系列發(fā)動(dòng)機(jī)的三轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)理念，是羅·羅公司迄今發(fā)展的性能最好的大涵道比民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。下面主要介紹其中的Trent 1000TEN、Trent XWB-97和 Trent 7000發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.1 Trent 1000TEN發(fā)動(dòng)機(jī)

Trent 1000TEN發(fā)動(dòng)機(jī)是Trent 1000系列中推出的最新型號(hào)，是B787夢(mèng)幻客機(jī)的備選動(dòng)力裝置(圖1)。其中的TEN分別代表推力、效率和新技術(shù)。它繼承了羅·羅公司其他在役發(fā)動(dòng)機(jī)上的成熟技術(shù)，如復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、分區(qū)分級(jí)低排放燃燒室、浮動(dòng)壁火焰筒、高效冷卻技術(shù)等。同時(shí)，還應(yīng)用了羅·羅公司在Trent XWB和Advance發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中驗(yàn)證成功的最新技術(shù)，如中壓渦輪和高壓渦輪上的新型高溫材料和熱障涂層，以及先進(jìn)的“精益生產(chǎn)”管理方法。與Trent 1000Package C相比，Trent 1000TEN的耗油率降低了2%。

截止2016年，Trent 1000TEN發(fā)動(dòng)機(jī)共計(jì)完成了150 h的高溫、高速運(yùn)行，進(jìn)行了高原、結(jié)冰、橫風(fēng)、噪聲和循環(huán)測(cè)試，充分展示了其可靠性、耐久性、操作性和功能性，并完成了型號(hào)試驗(yàn)認(rèn)證。2016年3月，Trent 1000TEN在B747飛行試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了首飛測(cè)試，標(biāo)志著該發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目進(jìn)入了新的階段。2016年12月，搭載Trent 1000TEN的B787-10客機(jī)首次試飛成功，意味著Trent 1000TEN將成為包括B787-8、-9和-10夢(mèng)幻全系機(jī)型的啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

Trent 1000TEN的推出對(duì)于羅·羅公司非常重要，一方面保持了其民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，另一方面增強(qiáng)了與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手GE公司抗衡的優(yōu)勢(shì)。與標(biāo)準(zhǔn)型Trent 1000發(fā)動(dòng)機(jī)相比，Trent 1000TEN推力增加了26.7 kN。同時(shí)，由于部分零件采用碳復(fù)合材料，其質(zhì)量更輕、耗油率更低。

2.2 Trent XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)

Trent XWB系列發(fā)動(dòng)機(jī)不僅是當(dāng)今世界上最高效的大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，也是迄今為止銷售最快的寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，已售出1 600多臺(tái)，累計(jì)飛行時(shí)間達(dá)到106h。Trent XWB-97是Trent XWB發(fā)動(dòng)機(jī)系列的最新型號(hào)，將作為A350-1000的唯一動(dòng)力裝置。它以Trent XWB-84為基礎(chǔ)，同時(shí)采用了創(chuàng)新先進(jìn)技術(shù)，包括新的高溫渦輪技術(shù)、先進(jìn)的風(fēng)扇空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)等。特別是采用的Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)第5階段燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)，更是顯示出了極強(qiáng)的技術(shù)延續(xù)性，火焰筒采用可拆換瓦片的浮壁式結(jié)構(gòu)，采用氣動(dòng)霧化噴嘴和軸向分區(qū)燃燒，燃油燃燒充分，增加了安全性，提高了經(jīng)濟(jì)性。由于采用這些先進(jìn)的技術(shù)，以及尺寸更大的核心機(jī)，使得Trent XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)推力高達(dá)430 kN，增加了空客A350-1000的有效載荷范圍和最大起飛質(zhì)量，更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。同時(shí)，Trent XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)成功采用ALM新技術(shù)(3D打印技術(shù))提高了制造效率。2015年，羅·羅公司通過(guò)與國(guó)家増材制造中心合作，利用3D打印技術(shù)打印出了有史以來(lái)最大的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)組件——直徑1.5 m的Trent XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)前軸承座(圖2)，且經(jīng)受住了性能測(cè)試。

2016年11月，由兩臺(tái)Trent XWB-97驅(qū)動(dòng)的首架空客A350-1000成功完成了首飛。2017年8月，Trent XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了歐洲航空安全局(EA?SA)認(rèn)證。目前，羅·羅公司已制造了20臺(tái)Trent XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)，用于試車臺(tái)測(cè)試、開(kāi)發(fā)測(cè)試和飛行驗(yàn)證。

2.3 Trent 7000發(fā)動(dòng)機(jī)

Trent 7000發(fā)動(dòng)機(jī)(圖3)是羅·羅公司為A330neo飛機(jī)研發(fā)的一款專屬發(fā)動(dòng)機(jī)，是Trent發(fā)動(dòng)機(jī)系列的第7個(gè)成員。其研發(fā)過(guò)程中充分借鑒了Trent 700的可靠性、Trent 1000的結(jié)構(gòu)和Trent XWB的技術(shù)，采用全三維掠形寬弦風(fēng)扇與小型高增壓比核心機(jī)，額定推力303～320 kN。與現(xiàn)役Trent 700發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其涵道比從5提高到10，總增壓比從36提高到50，耗油率降低10%，噪聲降低10 dB，每架飛機(jī)壽命周期內(nèi)能為運(yùn)營(yíng)商創(chuàng)造6 000萬(wàn)美元的價(jià)值[4]。

Trent 7000發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑從Trent 700的2.47 m增加到2.84 m，低壓渦輪級(jí)數(shù)從4級(jí)增加到6級(jí)。盡管風(fēng)扇直徑增大增加了發(fā)動(dòng)機(jī)直徑與質(zhì)量，但由于耗油率明顯改善，且在與空客公司的氣動(dòng)改進(jìn)措施融合后，可使A330neo飛機(jī)每座油耗降低14%。這得益于發(fā)動(dòng)機(jī)的中壓徑向驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)。由于不與高壓轉(zhuǎn)子直接機(jī)械連接，因此快速減小供油并不會(huì)降低核心機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行和地面滑行階段采用更低的慢車推力。除此之外，Trent 7000發(fā)動(dòng)機(jī)也強(qiáng)調(diào)成熟技術(shù)的傳承，依賴傳統(tǒng)方法加入了引氣設(shè)計(jì)。同時(shí)，高壓渦輪葉片應(yīng)用新型熱障涂層，延長(zhǎng)了其使用壽命；整體葉盤的使用降低了壓氣機(jī)質(zhì)量；連續(xù)可調(diào)的主動(dòng)渦輪間隙控制，可在不同飛行階段提供最佳冷卻空氣量；使用新一代FADEC及發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2015年11月，Trent 7000技術(shù)驗(yàn)證樣機(jī)在英國(guó)達(dá)比發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)上完成首次動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)(圖4)。2017年10月，Trent 7000發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的A330neo飛機(jī)首飛成功[5]。

3 技術(shù)創(chuàng)新型發(fā)動(dòng)機(jī)

羅·羅公司根據(jù)在Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)上獲得的經(jīng)驗(yàn)和驗(yàn)證技術(shù)，著眼于未來(lái)的飛機(jī)市場(chǎng)，開(kāi)展了Advance和UltraFan兩款發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作。Advance發(fā)動(dòng)機(jī)將比第一代Trent發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油消耗和二氧化碳排放方面減少20%以上，并可在2020年前進(jìn)入市場(chǎng)服役。UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)將采用一種具有變距風(fēng)扇的齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)比Trent 700減少25%以上的油耗及排放，預(yù)計(jì)2025年開(kāi)始服役。

3.1 Advance發(fā)動(dòng)機(jī)

Advance發(fā)動(dòng)機(jī)源于羅·羅公司2012年推出的預(yù)研項(xiàng)目，旨在長(zhǎng)期、持續(xù)推進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究與發(fā)展。該型發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)調(diào)技術(shù)創(chuàng)新，其核心機(jī)將采用新的高壓和中壓壓氣機(jī)、貧油燃燒室、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)封嚴(yán)段以及先進(jìn)冷卻渦輪葉片。該核心機(jī)在載荷分配上有很大變化，高壓壓氣機(jī)由兩級(jí)高壓渦輪驅(qū)動(dòng)以承擔(dān)更大的工作負(fù)載，而單級(jí)中壓壓氣機(jī)負(fù)載較輕，使得Advance發(fā)動(dòng)機(jī)可以更經(jīng)濟(jì)的方式得到所需增壓比。Advance發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比將超過(guò)11，總增壓比將超過(guò)60，耗油率至少比當(dāng)前的Trent 700發(fā)動(dòng)機(jī)改善20%，推力將高達(dá)222.5 kN。

Advance發(fā)動(dòng)機(jī)目前已推出Advance 3驗(yàn)證機(jī)核心機(jī)[6](圖5)。2017年6月，首臺(tái)Advance 3核心機(jī)和風(fēng)扇機(jī)匣已經(jīng)在羅·羅英國(guó)布里斯托爾工廠完成組裝，整機(jī)已于7月運(yùn)往德比進(jìn)行包括噪聲、熱測(cè)量、X射線檢測(cè)等多項(xiàng)測(cè)試。計(jì)劃2017年12月進(jìn)行首次試車運(yùn)行。測(cè)試時(shí)使用一臺(tái)混裝發(fā)動(dòng)機(jī)，即在Advance 3核心機(jī)的基礎(chǔ)上，前端裝配Trent XWB-84發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇，后端裝配Trent 1000發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪，測(cè)試將持續(xù)到2018年初。該核心機(jī)將是羅·羅公司未來(lái)大型民用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)[7]

波音公司提出了中間級(jí)市場(chǎng)客機(jī)概念，這種介于窄體機(jī)和寬體機(jī)之間的新型客機(jī)，需裝備推力為178～223 kN的發(fā)動(dòng)機(jī)，擬在2025年前后取代B757和B767。羅·羅公司為在中間級(jí)市場(chǎng)客機(jī)中占領(lǐng)先機(jī)，全面推進(jìn)了UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新技術(shù)是在充分繼承的基礎(chǔ)上發(fā)展的，借鑒了Advance發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)成果，通過(guò)增加齒輪系統(tǒng)形成新型發(fā)動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的齒輪系統(tǒng)將為未來(lái)大推力、大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)提供高效動(dòng)力，能夠使Ultra?Fan發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比達(dá)到15，壓比超過(guò)70，而油耗比Trent 700至少降低25%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠性提高，耗油率、使用與維修成本、噪聲均降低的技術(shù)目標(biāo)。這種動(dòng)力齒輪箱位于風(fēng)扇軸和低壓壓氣機(jī)軸之間，是一種先進(jìn)的星形齒輪結(jié)構(gòu)(圖6)。使用5個(gè)行星齒輪，傳動(dòng)比為4：1，可讓渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)分別運(yùn)轉(zhuǎn)在各自最優(yōu)轉(zhuǎn)速下；低壓轉(zhuǎn)子在效率較高的轉(zhuǎn)速下工作，以匹配高壓轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)速；同時(shí)，風(fēng)扇在氣動(dòng)損失和噪聲都較小的較低轉(zhuǎn)速下工作，從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比。UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力齒輪箱的設(shè)計(jì)輸出功率將達(dá)73 550 kW，標(biāo)志著世界上最大的齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)即將面世。除此之外，還在姿態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)模擬起飛、爬升、傾斜及降落等不同飛行階段該動(dòng)力齒輪箱的在翼表現(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試?，F(xiàn)階段測(cè)試重點(diǎn)轉(zhuǎn)為測(cè)試耐久性和可靠性等低功率性能。

采用齒輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的變距風(fēng)扇具有較大優(yōu)勢(shì)：可取消低壓渦輪，由傳統(tǒng)的三轉(zhuǎn)子變成2.5轉(zhuǎn)子；可增大涵道比，使飛機(jī)的航程延長(zhǎng)50%，或耗油率降低30%；可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的反推力功能，取消反推力裝置，后短艙質(zhì)量大幅度減輕；可控制非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的失速和顫振。UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)的變距風(fēng)扇包括22片三維新型葉片，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)間隙控制，是體積和涵道比更大的新一代風(fēng)扇。它采用與Ad?vance發(fā)動(dòng)機(jī)相同的CTi風(fēng)扇葉片(圖7)和復(fù)合材料機(jī)匣。目前，CTi風(fēng)扇已經(jīng)達(dá)到技術(shù)成熟度TRL5，有望進(jìn)一步提高到技術(shù)成熟度TRL6[8]。

目前，UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)有了重大突破。其中壓壓氣機(jī)將從目前Trent XWB發(fā)動(dòng)機(jī)的8級(jí)減少到4級(jí)；中壓渦輪將從2級(jí)減少到1級(jí)，葉片長(zhǎng)度增加；高壓壓氣機(jī)與Advance發(fā)動(dòng)機(jī)的相同，與Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)的相比增壓比更高，級(jí)數(shù)將達(dá)到10級(jí)(Trent XWB發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)只有6級(jí))，并由1級(jí)高壓渦輪驅(qū)動(dòng)改為2級(jí)驅(qū)動(dòng)；先進(jìn)的貧油燃燒低排放燃燒系統(tǒng)已于2015年在B747-200飛行試驗(yàn)臺(tái)上完成了飛行試驗(yàn)，和在Trent 1000全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了地面試驗(yàn)。為減輕質(zhì)量，轉(zhuǎn)子將采用鈦鋁合金，而靜子將采用陶瓷基復(fù)合材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

羅·羅公司在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域所取得的巨大成就，不僅依賴于堅(jiān)實(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)、優(yōu)秀的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、科學(xué)的管理、規(guī)范的研發(fā)流程，更重要的是豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的傳承與創(chuàng)新，將已有產(chǎn)品的成熟技術(shù)不斷轉(zhuǎn)移應(yīng)用到新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品中，并在轉(zhuǎn)移應(yīng)用中進(jìn)行創(chuàng)新與發(fā)展。Trent 1000TEN、Trent XWB-97和Trent 7000是羅·羅公司保持傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，這些改型都是在原有成熟發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上的繼承與發(fā)展，是推動(dòng)該公司產(chǎn)品不斷走向成功的典型范例。Advance和UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)則屬于創(chuàng)新型產(chǎn)品，著眼于未來(lái)的飛機(jī)市場(chǎng)，其集中體現(xiàn)了羅·羅公司的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，突破傳統(tǒng)，采用革新技術(shù)，以使產(chǎn)品能夠占領(lǐng)未來(lái)的市場(chǎng)。正是基于這種傳承與創(chuàng)新相結(jié)合的思路，使得羅·羅公司的產(chǎn)品研發(fā)工作能夠持續(xù)推進(jìn)，新產(chǎn)品研發(fā)碩果累累。其研制思路可為中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供參考借鑒。

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