核心提示： 出于對燃油經(jīng)濟性和綠色環(huán)保產(chǎn)品的不懈追求，普惠、羅羅和GE等世界著名發(fā)動機制造商均在已有產(chǎn)品體系框架下不斷嘗試推出新型發(fā)動機產(chǎn)品，以滿足時刻變化的市場需求。

出于對燃油經(jīng)濟性和綠色環(huán)保產(chǎn)品的不懈追求，普惠、羅羅和GE等世界著名發(fā)動機制造商均在已有產(chǎn)品體系框架下不斷嘗試推出新型發(fā)動機產(chǎn)品，以滿足時刻變化的市場需求。

這些產(chǎn)品以傳統(tǒng)發(fā)動機構(gòu)型為基礎(chǔ)，通過引入架構(gòu)上根本性的變化，極大地提高了發(fā)動機燃油效率，有些產(chǎn)品已經(jīng)成為了下一代民用飛機動力的優(yōu)先選擇。

齒輪傳動發(fā)動機：強化風扇效率 優(yōu)化發(fā)動機油耗噪音

齒輪傳動發(fā)動機（GTF）是傳統(tǒng)雙軸發(fā)動機的一種衍生型，其不同之處在于發(fā)動機風扇與低壓渦輪轉(zhuǎn)子之間加裝了減速齒輪傳動系統(tǒng)，具體位置位于風扇轉(zhuǎn)子之后；通過該齒輪系統(tǒng)的變速銜接，可以使風扇和渦輪在各自最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速情況下運轉(zhuǎn)，從而達到整機性能優(yōu)化的目的。

從最早的美國霍尼韋爾公司TFE731、ALF502系列發(fā)動機產(chǎn)品，到普惠公司最新研發(fā)用于單通道客機的PW1000G系列發(fā)動機，均為GTF的典型代表。

隨著現(xiàn)代高性能渦扇發(fā)動機涵道比的不斷增大，風扇葉片直徑呈現(xiàn)增加趨勢；盡管低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速沒有明顯增加，但風扇葉尖直徑速度依然不斷得到提高。當風扇葉片葉尖切向速度達到跨聲速時，將引起風扇效率的急劇下降，從而表現(xiàn)為整機性能衰退，且不利于壓氣機的喘振防護。

GTF的出現(xiàn)從根本上解決了這一問題。由于風扇齒輪箱的存在，壓氣機和渦輪可以在很高轉(zhuǎn)速下獨立運轉(zhuǎn)，充分利用航空煤油燃燒后化學能的釋放和壓氣機對內(nèi)流空氣的做功；當能量通過齒輪箱減速增扭傳遞至風扇后，可以進而對外部空氣做功，產(chǎn)生發(fā)動機所需推力。通過預先設定的齒輪箱傳動比，可以將風扇轉(zhuǎn)速控制在所需范圍內(nèi)，從而避免風扇葉片葉尖切向速度達到聲速。

普惠公司將這一構(gòu)型的PW1000G譽為下一代單通道客機動力單元的“游戲改變者”，并對其航線表現(xiàn)寄以厚望。事實上，從空客A320 NEO、龐巴迪新一代C系列、巴西Embraer公司下一代“E系列”以及日本新一代支線客機MRJ飛機獨家選取PW1000G發(fā)動機作為動力單元的現(xiàn)狀來看，人們有理由相信GTF將以優(yōu)異的表現(xiàn)重新回到支線客機和單通道客機市場。

根據(jù)發(fā)動機設計原理，隨著發(fā)動機涵道比的增大和風扇轉(zhuǎn)速的降低，發(fā)動機的整機油耗和噪聲均得到改善；因此，同等技術(shù)水平下GTF的噪聲和油耗均優(yōu)于渦扇發(fā)動機。

普惠公司的分析表明，對于裝配有GTF的單通道客機來講，可幫助飛機相對現(xiàn)有同類機型降低15%的燃油消耗，在相比CAEP/6標準具備50%排放裕度的同時每年減少3600噸氮氧化物排放。同時，相比傳統(tǒng)發(fā)動機，GTF在涵道比、噪聲、油耗方面的整體表現(xiàn)以及飛機起飛時噪聲測量數(shù)據(jù)，都要低于傳統(tǒng)發(fā)動機。

GTF的另一大優(yōu)勢是具備了充足的性能裕度。在必要條件下，可以使發(fā)動機的性能表現(xiàn)得到跨越式的提升。依據(jù)發(fā)動機設計原理，追求更低燃油消耗率和推力表現(xiàn)的一種普遍技術(shù)途徑為不斷提高壓氣機壓比和燃燒溫度，并相應提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來滿足發(fā)動機控制律要求。

這一實質(zhì)上提高熱機效率的舉措所帶來的負面影響便是需要在熱端部件采用更加耐高溫的材料，或在材料不變的情況下適當增加發(fā)動機二次空氣系統(tǒng)間冷卻氣體的流量。此時，發(fā)動機材料的安全裕度在高性能內(nèi)部參數(shù)面前退化到最低接受程度，雖可以確保在一定時期內(nèi)發(fā)動機的可靠運行，但發(fā)動機自身性能改善裕度已所剩無幾，并增加了長時間運行后發(fā)生故障的風險。

GTF則選擇了另一條技術(shù)途徑：通過提高低壓系統(tǒng)效率來提高整機的推進效率。具體表現(xiàn)為：通過減速齒輪箱的銜接，可以保持低壓轉(zhuǎn)子在高速優(yōu)化轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，同時確保風扇在低轉(zhuǎn)速、高效率下工作，在保持材料安全裕度的同時達到高性能表現(xiàn)。一旦通過新材料升級和設計技術(shù)改善等措施，GTF的性能可以再次得到提升。

當然，這同樣會面臨前一種技術(shù)途徑所需承擔的風險，是否需要進行性能升級，最終由客戶需求和市場前景來決定。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機：開放式風扇 提升發(fā)動機燃油經(jīng)濟性

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機（Open Rotor）是可以滿足下一代民用飛機動力需求的潛在備選方案之一。不同于傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機，該類型發(fā)動機的風扇（葉輪）沒有短艙包裹，而是直接延伸至氣流之中。盡管這類發(fā)動機的最佳巡航速度慢于渦扇發(fā)動機，但對于飛行時間通常不超過2小時的單通道客機（如B737、A320等）來講，額外增加的旅程時間不會超過10分鐘。

相比同等推力等級的渦扇發(fā)動機，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機在改善燃油經(jīng)濟性和降低二氧化碳排放方面具備極大潛力。渦扇發(fā)動機通過不斷增大風扇直徑和涵道比來達到逐步降低油耗的目的，但同時造成發(fā)動機重量、迎風阻力的同步增加。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機則徹底擺脫這一限制，通過移除短艙可以實現(xiàn)極高的理論涵道比設計，其燃油消耗率可降低25-30%；對于發(fā)動機制造商來說，這個極具變革性的數(shù)字將成為對航空公司發(fā)動機選型談判時最重要的籌碼。

為進一步提高發(fā)動機的推進效率，使氣流通過葉輪后產(chǎn)生更為直接的推力，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機第一排葉輪后面通常設置有第二排反轉(zhuǎn)葉輪，但同時也為該類型發(fā)動機的設計帶來了眾多技術(shù)挑戰(zhàn)：一是失去了短艙的包容性結(jié)構(gòu)和消聲設計特征，發(fā)動機的葉片斷裂保護和噪聲處理更為困難；二是葉輪變距機構(gòu)的設計極為復雜；三是發(fā)動機葉片在較高飛行速度下效率明顯下降，這也是目前該類發(fā)動機難以用于遠程高速客機的重要原因。

隨著已有機隊老齡化和中國、印度、拉丁美洲等新興航空市場的崛起，預計2032年左右全球航空市場所需單通道民用飛機超過29000架，其中新飛機超過15000架；這些新機型的投放將帶來1萬億美元的潛在市場。然而，對于下一代單通道民用飛機的一個重要需求便是，飛機的經(jīng)濟性需要提高10%-15%。這便給開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機等新型產(chǎn)品的研制帶來了絕佳的契機。根據(jù)風扇位置的不同，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機可以分為推進式和拉進式。前者風扇安裝在發(fā)動機后部，后者風扇安裝在發(fā)動機前部。理論上講，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機可以裝配單排或雙排葉輪；但有意思的是，通常拉進式機型設有單排風扇，而推進式機型則設有雙排對轉(zhuǎn)葉輪。在同樣推力等級需求的情況下，推進式發(fā)動機更易于采用直徑或轉(zhuǎn)速更小的風扇設計形式；風扇直徑減小直接給飛機-發(fā)動機集成帶來了便利，而轉(zhuǎn)速降低則有利于發(fā)動機的噪聲抑制。

事實上，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機概念在歷史上由來已久。早在1939年，渦槳發(fā)動機投入服役，由動力渦輪通過減速齒輪箱驅(qū)動螺旋槳這一工作方式便在航空發(fā)動機上得到廣泛應用。直到現(xiàn)在，渦槳發(fā)動機仍是低速通航飛機首選的動力裝置。在上世紀80年代，當燃油價格呈現(xiàn)急劇上漲趨勢時，以槳扇發(fā)動機為代表的配有對轉(zhuǎn)風扇的渦輪發(fā)動機被研發(fā)出來，通過發(fā)動機自身推進效率的提高以進一步降低飛機的燃油消耗。然而，出于噪聲抑制、結(jié)構(gòu)復雜等方面的技術(shù)原因，這類發(fā)動機從未得到廣泛的商業(yè)推廣；再加上隨后燃油價格的逐步回落，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的研制便重新回到了技術(shù)驗證階段。隨著發(fā)動機設計技術(shù)的不斷進步，很多新技術(shù)與制造工藝在下一代開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機上得到了有效應用，這使得該類發(fā)動機同渦槳發(fā)動機產(chǎn)生了本質(zhì)區(qū)別。盡管現(xiàn)在還無法確定開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機上所應用的新技術(shù)名稱，但一些基本技術(shù)特征已經(jīng)得到證實。

先進的渦輪和壓氣機系統(tǒng)——新材料，新涂層，在降低熱端部件冷卻空氣流量的同時改善壓氣機、渦輪葉片的氣動效率，從而降低發(fā)動機燃油消耗水平；低排放燃燒室——燃燒室以新的貧油燃燒方式工作，有利于降低氮氧化物排放總量；改善后的控制系統(tǒng)——更加先進的電子元件、傳感器、作動器和軟件可使發(fā)動機性能得到進一步優(yōu)化；低重量結(jié)構(gòu)——新材料應用、創(chuàng)新式設計與加工工藝有利于降低整機重量，改善燃油消耗水平；先進的風扇葉型設計——在低壓系統(tǒng)中，氣動特性改進后的葉型和變距系統(tǒng)有助于風扇在全飛行包線內(nèi)以最佳性能工作?？傮w來講，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的核心機應用技術(shù)與傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機基本一致，隨后者核心機設計技術(shù)的發(fā)展，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的設計水平也同步提高。得益于獨特的槳葉構(gòu)型和變距特征，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機具備了其它發(fā)動機不可比擬的經(jīng)濟性優(yōu)勢。

由于發(fā)動機自身結(jié)構(gòu)特性的限制，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機在噪聲表現(xiàn)上較難達到同樣技術(shù)水平下渦扇發(fā)動機的等級，即未來渦扇發(fā)動機將比同時代的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機更加安靜。但由于匹配了更加先進的技術(shù)，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機將比現(xiàn)役的渦扇發(fā)動機噪聲更低。對于飛機制造商來講，如何將風扇直徑達到3-4米的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機同飛機高效集成，則是擺在面前的一大難題。當前最為常見的發(fā)動機安裝方式為翼吊，這對于發(fā)動機在翼檢查和維護來講是較為方便的。但對于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機來說，安裝于飛機機尾之上則是更為切實的選擇，這便給發(fā)動機的維修帶來了困難。可以預見的是，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機造成的飛機飛行速度受限問題還將困擾人們一段時間。

20世紀80年代，普惠公司便開始專注于齒輪傳動發(fā)動機的研制，從最初的發(fā)動機轉(zhuǎn)子-氣動力試驗開始，逐步確立了發(fā)展完善齒輪傳動系統(tǒng)的技術(shù)路線。

20世紀90年代，GTF完成50000磅推力驗證機的風洞試驗和齒輪初步設計工作。2000年以后，普惠公司通過縮比核心機分別完成了適用于支線和單通道飛機的GTF驗證機項目，并在2010年搭載波音747飛行試車臺進行了飛行驗證試驗。

隨著空客公司為其A320neo飛機選擇了PW1000G系列發(fā)動機之后，龐巴迪、三菱等公司也相繼宣布為其產(chǎn)品裝配GTF。至此，PW1000系列發(fā)動機正式在支線客機與單通道客機領(lǐng)域參與市場競爭。

2009年，PW1000G發(fā)動機被《流行科學雜志》授予最佳新產(chǎn)品稱號，并同時得到了國際航空界多家主流期刊的年度大獎認可。在燃油經(jīng)濟性方面，PW1100G-JM相比現(xiàn)役發(fā)動機將改進15%，并在二氧化碳、氮氧化物排放方面改進50%。在噪聲表現(xiàn)方面，安裝有該發(fā)動機的飛機艙內(nèi)噪聲將進一步降低，使飛機更加安靜舒適。2015年底，首架安裝有PW1100G-JM發(fā)動機的A320neo飛機已經(jīng)投入市場運營。

當前，英國羅羅公司、法國Snecma公司和美國GE公司都在開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機研發(fā)領(lǐng)域開展大量工作。比如，羅羅公司已經(jīng)在德荷DNW高速風洞完成了該類型發(fā)動機的噪聲測試試驗，Snecma公司主導研制的直接傳動式開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機也已進入試驗驗證階段。在歐洲“靜潔天空”研究項目中，專門設有“可持續(xù)綠色發(fā)動機”研究計劃，以進一步降低發(fā)動機油耗、排放和噪聲水平。

對于航空公司來講，選擇使用該類型發(fā)動機可以使中等規(guī)模單通道機隊每年節(jié)省約300萬美元的運營成本，并減少10000噸二氧化碳排放。對于航空運輸業(yè)所涉及的空氣質(zhì)量改善來講，這無疑是一大積極舉措。此外，美國航空航天局（NASA）研究成果表明，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機在燃油經(jīng)濟性方面有望滿足下一代民機的設計要求，但仍有很多工作有待開展。

相比現(xiàn)有構(gòu)型發(fā)動機，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機最大的改變便是由開式葉輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)風扇，提高了發(fā)動機本體的推進效率。對于燃油成本占現(xiàn)金運營成本40%以上的航空公司而言，這一結(jié)果具備極大吸引力。人們普遍預測2025-2030年航空煤油價格飛漲之際將是開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機投放市場的最佳時機。

作為未來航空動力的兩種主要動力裝置，齒輪傳動和開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機已經(jīng)逐步顯現(xiàn)出其技術(shù)革新在經(jīng)濟性、環(huán)保性方面所帶來的收益。同樣運行工況條件下，開式轉(zhuǎn)子的燃油消耗率要低于GTF，但兩者的燃油經(jīng)濟性相比現(xiàn)役發(fā)動機卻均有著實質(zhì)性提高。由于開式轉(zhuǎn)子的耗油量更低，其排放表現(xiàn)要低于齒輪傳動，但后者卻更加安靜，且可在更高飛行速度下保持高效運轉(zhuǎn)。因此，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機更適合于單通道或支線客機，而GTF則是遠程寬體客機的絕佳選擇。

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