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行业新闻 | 罗罗公司超扇发动机研制进展

发布时间:2017-06-19 11:53 点击数:

      超扇(UltraFan)发动机从某种意义上讲已经成为罗罗公司未来民用航空发动机的标志性技术,并得到了业界的广泛关注。


      超扇的概念与优势

      罗罗公司遄达系列商用航空发动机的销售额占据公司销售额的半壁江山,且在近期保持强势上涨。为了促进公司业务的可持续发展,罗罗公司按照创新引领发展的思路,于2014年推出两款新型航空发动机Advance和Ultrafan,以巩固其在大型飞机发动机市场的领先地位。

CTi复合材料风扇叶片。

      基于三转子涡扇发动机研制经验、先进核心机和齿轮系统等技术预研成果,罗罗公司制订出分两个阶段进行的未来10年航空发动机技术和产品发展道路:第一阶段的目标是以遄达XWB发动机为起点,开发和验证Advance核心机与发动机;第二阶段的目标是以Advance核心机为基础开发和验证具有颠覆性技术特征的UltraFan发动机。Advance 发动机涵道比将超过11,总增压比将超过60,耗油率和二氧化碳排放将比目前的遄达700发动机降低至少20%,计划于2020年左右投入使用。UltraFan发动机于2012年在美国航空航天局(NASA)与洛克希德·马丁公司联合实施的环保航空计划中首次提出,涵道比将达到15,总增压比将达到70,燃油消耗和排放将比目前的遄达700发动机降低25%,计划于2025 年投入使用。
      从某种意义上讲,罗罗公司的UltraFan发动机既像是带短舱的开式转子发动机,又像是齿轮驱动的涡扇发动机。超扇发动机的架构包括齿轮系统驱动的可变桨距风扇,带出口导向叶片和悬臂的短舱。UltraFan发动机采用大直径的风扇并带短舱,既可以像涡扇发动机那样获得较高跨声速飞行速度,又能以较大涵道比获得较高的推进效率。
      采用齿轮系统驱动的可变桨距风扇具有以下优势:取消低压涡轮,这意味着罗罗公司涡扇发动机的结构发生重大变化,由传统的3转子变成2.5转子;增大涵道比,将使飞机的航程延长50%,或者燃油消耗率降低30%;实现传统涡扇发动机的反推力功能,取消反推力装置,大幅度减轻短舱重量;可控制非设计转速失速和颤振。研究表明,可变桨距风扇和可变喷口都是控制非设计转速风扇失速和颤振的方法,但是后者只适用于涵道比在12~15之间的发动机,如果涵道比再大,如增大到25,可变喷口的面积变化幅值将达到30%,这会大幅度增加发动机重量。

      关键技术

      UltraFan发动机与Advance发动机几乎同时启动,但是借鉴了后者的的技术成果,通过增加齿轮系统形成新型发动机。Advance和UltraFan发动机计划的研究经费每年近10亿英镑,其关键技术包括:可变桨距风扇、驱动风扇的齿轮系统、先进短舱和新型发动机核心机。

      可变桨距风扇系统

      超扇发动机的可变桨距风扇包括22片三维气动设计的可变桨距叶片、球型的叶尖设计和主动间隙控制,是体积更大、涵道比更大的新一代风扇。它采用与Advance发动机相同的碳纤维增强钛基复合材料叶片,与复合材料机匣一起使用可将每架飞机的重量减轻680kg,相当于在不增加成本的前提下多搭载7位乘客。风扇叶尖处安装有光纤传感器,以监控风扇健康状态。由于风扇增压比很低,采用变桨距控制以使其在非设计转速不发生失速和颤振。采用倾斜和掠形出口导向叶片并进行吸声处理,能够有效降低噪声。
      Advance和UltraFan发动机计划采用复合材料风扇叶片。这是罗罗公司首次放弃遄达系列发动机的空心叶片的设计路线,这将使发动机重量大幅度减轻。叶片系统是在先进低压系统(ALPS)研究计划下进行开发和验证的。该风扇于2014年在美国亚利桑那州图森市的试验基地,搭载在波音747-200飞行平台的遄达1000发动机上完成了第一次飞行试验。试验表明,风扇性能表现良好,标志着该项目达到了一个重要里程碑。

      驱动风扇的齿轮系统

      罗罗公司只是透露,超扇发动机的齿轮箱将是星形齿轮结构,但是没有明确包括齿轮传动比在内的技术细节。

安装CTi复合材料风扇叶片的遄达1000发动机在波音747-200试飞平台上试飞。

      罗罗公司与利勃海尔宇航公司以50∶50的股份比例成立航空传动技术(Aerospace Transmission Technologies)公司,共同开展齿轮箱的研制,罗罗公司将主导齿轮箱的设计和集成。为此,罗罗公司投入了6500万英镑在德国柏林南郊的达勒维茨小镇建造了用于试验齿轮传动系统设计的试验台。罗罗公司在大功率齿轮箱的应用方面拥有较多经验,目前有4类产品已使用这种齿轮箱(AE2100、T56、升力风扇、Model 250),有上千台发动机正在服役。罗罗公司已经冻结了齿轮箱第1阶段设计,在2015年年底加工出首台变速箱试验件,预计2016年年初对其进行试验,最初试验用的齿轮传动比大约为4∶1。在飞行试验前,罗罗公司打算制造3个型号的齿轮箱。

      先进短舱和新型发动机核心机

      超扇发动机短舱是一种带出口导向叶片支撑的悬臂短舱。这种设计去掉了反推力装置,大大减轻发动机重量,减小进排气的损失,并能够有效地降低噪声水平。
      超扇发动机概念的成功还依赖于核心机技术的发展,因为在可实现的风扇直径下,超大涵道比还需要有小尺寸的核心机并达到较高的总增压比。这些技术与所有先进发动机的技术一样,包括压气机流动、间隙控制、冷却燃油的空气、脱氧燃油、贫油燃烧室和陶瓷基复合材料涡轮。
      中压压气机将从目前遄达XWB发动机的8级减少到4级,同时中压涡轮将从2级减少到1级。高压压气机与Advance发动机相同,与遄达系列发动机相比增压比更高,级数将达到10级(遄达XWB发动机的高压压气机只有6级),采用2级高压涡轮驱动,而不是现在的1级。先进的贫油燃烧低排放燃烧系统(Alecsys)已于2015年下半年在遄达1000全尺寸发动机上进行了地面试验,于2015年上半年在波音747-200飞行试验台上开始飞行试验。多级中压涡轮叶片与之前的涡轮叶片相比长度增加。为了减轻重量,转子将采用钛铝合金,而静子与导向器采用陶瓷基复合材料。罗罗公司与ITP公司合作投入430万英镑,由IPT负责研制和制造UltraFan发动机的中压涡轮并开展相关试验研究。
      罗罗公司还启动了一个名为高温涡轮技术验证机的新计划,为Advance和UltraFan提供先进涡轮技术。该项目是遄达1000的环境友好发动机(EFE)验证计划的后续研究,将在一台遄达XWB-97发动机基础上重点开展陶瓷基复合材料和其他先进高温材料的研发。